光电子技术(第一章)

1、关于诺贝尔奖：关于诺贝尔奖： 与光学有关的物理奖与光学有关的物理奖45项，占项，占40%， 很多化学、生物及医学奖也与光学有关【主要是用光获取物体或很多化学、生物及医学奖也与光学有关【主要是用光获取物体或 分子结构图像：如原子结构、分子结构图像：如原子结构、DNA、生物大分子分子结构】；、生物大分子分子结构】； 近近5年光电子方面的直接诺奖：年光电子方面的直接诺奖：2009光纤光纤+CCD，2010石墨烯光石墨烯光 学材料，学材料，2011用光学观察宇宙加速扩张，用光学观察宇宙加速扩张，2012激光测量操控单激光测量操控单 原子原子,2014两个：物理两个：物理-蓝光蓝光LED、化学、化学-荧

2、光显微镜荧光显微镜 教材的结构和内容安排 Hx=0; (C)(C)结论结论（性质（性质1 1）：）：E E只在只在x x向上，向上，H H只在只在y y向上，传播向上，传播 是是z z向；即平面电磁波的向；即平面电磁波的E E、H H、传播方向、传播方向两两互相垂直两两互相垂直。 E H k （3 3）平面电磁波的解）平面电磁波的解 （A A）由（）由（1.311.31）式中间）式中间2 2个方程可得（个方程可得（1.361.36）式；）式； 设电磁波的解形式为（设电磁波的解形式为（1.371.37）式，代入微分方程得（）式，代入微分方程得（1.381.38）式；）式； （1.381.38）式

3、再求旋度并用矢量公式得亥姆霍兹方程（）式再求旋度并用矢量公式得亥姆霍兹方程（1.401.40） 对平面电磁波，对平面电磁波，E E和和H H只与只与z z和和t t有关，与有关，与x x、y y无关，亥姆霍兹方无关，亥姆霍兹方 程为一维常微分方程程为一维常微分方程 00 2222 0, 0 k HkHEkE 0)( )( 2 2 2 zEk dz zEd 可得可得E E的全解为的全解为 同理可得同理可得 )( 0 ),( tkzi eEtzE )( 0 ),( tkzi eHtzH 代入（代入（1.321.32）式可得）式可得E E和和H H的振幅及相位关系的振幅及相位关系 真空中 介质中 s

4、mC k v /103 1 1 8 00 00 性质性质2： E和和H幅度成比例、复角相等幅度成比例、复角相等 性质性质3：电磁波的传播速度：电磁波的传播速度-等相位面的速度等相位面的速度 HE HE 00 1.3光的电磁理论与电磁波谱光的电磁理论与电磁波谱 18651865年，麦克斯韦由电磁场理论预测到电磁波的存在，年，麦克斯韦由电磁场理论预测到电磁波的存在， 并且提出了光的电磁波说，这是人类认识论上的一次巨大飞并且提出了光的电磁波说，这是人类认识论上的一次巨大飞 跃，也为电磁波的应用奠定了理论基础；同时，对电磁波本跃，也为电磁波的应用奠定了理论基础；同时，对电磁波本 性的深入研究最终导致了

5、性的深入研究最终导致了2020世纪的两大支柱：量子论与相对世纪的两大支柱：量子论与相对 论的诞生。论的诞生。 Hermannvon Helmholtz 1821-1894德物理、生理学家德物理、生理学家- 18871887年，赫兹首次用实验验证了电磁波的存在，以及证实了年，赫兹首次用实验验证了电磁波的存在，以及证实了 麦克斯韦的推测：光是一种电磁波。即电磁波与光波性质完麦克斯韦的推测：光是一种电磁波。即电磁波与光波性质完 全相同。全相同。此后，人们又进行了许多试验，不仅进一步证实了此后，人们又进行了许多试验，不仅进一步证实了 光的电磁波说，而且证明了陆续发现的光的电磁波说，而且证明了陆续发现的

6、X X射线、射线、射线等也射线等也 是电磁波。所有电磁波本性完全相同，只是波长（或频率）是电磁波。所有电磁波本性完全相同，只是波长（或频率） 有所差异。按波长（或频率）将电磁波排列成谱，组成了一有所差异。按波长（或频率）将电磁波排列成谱，组成了一 个庞大的电磁波谱。个庞大的电磁波谱。 赫兹（德国赫兹（德国1857185718941894） 德国物理学家，生于汉堡。早在德国物理学家，生于汉堡。早在 少年时代就被光学和力学实验所少年时代就被光学和力学实验所 吸引。十九岁入德累斯顿工学院吸引。十九岁入德累斯顿工学院 学工程，由于对自然科学的爱好，学工程，由于对自然科学的爱好， 次年转入柏林大学，在物

7、理学教次年转入柏林大学，在物理学教 授授亥姆霍兹亥姆霍兹指导下学习。指导下学习。18851885年年 任卡尔鲁厄大学物理学教授。任卡尔鲁厄大学物理学教授。 18891889年，接替克劳修斯担任波恩年，接替克劳修斯担任波恩 大学物理学教授，直到逝世。大学物理学教授，直到逝世。 赫兹对人类最伟大的贡献是赫兹对人类最伟大的贡献是 用实验证实了电磁波的存在。用实验证实了电磁波的存在。 赫兹的实验赫兹的实验 赫兹的实验赫兹的实验 设计了一种电磁波发生器（直线型开放振设计了一种电磁波发生器（直线型开放振 荡器）：在两根长荡器）：在两根长1212英寸的铜棒上各焊英寸的铜棒上各焊 一磨光的黄铜球，另一端各安一

8、块边长一磨光的黄铜球，另一端各安一块边长 1616英寸的正方形锌块，两根铜棒放在同英寸的正方形锌块，两根铜棒放在同 一直线上，两球之间留一空隙，一直线上，两球之间留一空隙，将它们将它们 连到感应圈的次级线圈两端连到感应圈的次级线圈两端当充电到当充电到 一定程度一定程度, ,间隙被火花击穿，两段金属间隙被火花击穿，两段金属 杆连成一条导电通路，这时它相当于一杆连成一条导电通路，这时它相当于一 个振荡偶极子，在其中激起高频的振荡个振荡偶极子，在其中激起高频的振荡 （在赫兹实验中振荡频率约为（在赫兹实验中振荡频率约为108108109109 周）感应圈以每秒周）感应圈以每秒1010102102周的频

9、率周的频率 一次一次地使火花间隙充电但是由于一次一次地使火花间隙充电但是由于 能量不断辐射出去而损失，每次放电后能量不断辐射出去而损失，每次放电后 引起的高频振荡衰减很快因此所产生引起的高频振荡衰减很快因此所产生 的 是 一 种 间 歇 性 的 阻 尼 振 荡 （ 如的 是 一 种 间 歇 性 的 阻 尼 振 荡 （ 如 图）赫兹把这装置称为图）赫兹把这装置称为“振荡偶极振荡偶极 子子” 赫兹的实验赫兹的实验 为证实电磁波的传播，将一根粗铜导为证实电磁波的传播，将一根粗铜导 线弯成一圆环形，在环的开口端各焊上一黄铜球，两球间的线弯成一圆环形，在环的开口端各焊上一黄铜球，两球间的 距离可用螺旋作

10、调节（他称为共振偶极子），作为检波器，距离可用螺旋作调节（他称为共振偶极子），作为检波器， 放在电磁波发生器附近放在电磁波发生器附近 如果麦克斯韦理论是正确的，交变电磁场就会在空间产生新如果麦克斯韦理论是正确的，交变电磁场就会在空间产生新 的电磁场，在一定距离用共振偶极子能检测到电磁场，才能的电磁场，在一定距离用共振偶极子能检测到电磁场，才能 证明电磁波的存在。赫兹据此思路继续实验，证明电磁波的存在。赫兹据此思路继续实验，实验并不顺利。实验并不顺利。 18871887年一天，给振荡偶极子输入高压脉冲电流，在暗室中凝年一天，给振荡偶极子输入高压脉冲电流，在暗室中凝 视两个小铜球间的空隙；突然，空

11、隙迸发出微弱的火花；再视两个小铜球间的空隙；突然，空隙迸发出微弱的火花；再 把铜环移到与发生器相距一定距离并选择其方位时，看到电把铜环移到与发生器相距一定距离并选择其方位时，看到电 火花在铜球间不断地跳跃。这样，初次观察到电磁振荡在空火花在铜球间不断地跳跃。这样，初次观察到电磁振荡在空 间传播。间传播。1887.11.51887.11.5总结成论文，寄给老板总结成论文，寄给老板 测定电磁波的速率：测定电磁波的速率：赫兹在暗室墙上覆盖一块锌板，以反射赫兹在暗室墙上覆盖一块锌板，以反射 电磁波当入射波和反射波迭加后将产生驻波，他用共振偶电磁波当入射波和反射波迭加后将产生驻波，他用共振偶 极子在离发

12、生器不同距离的地方来测驻波火花较亮的地方，极子在离发生器不同距离的地方来测驻波火花较亮的地方， 就是波峰或波谷；完全没有火花的地方，是波峰与波谷之间就是波峰或波谷；完全没有火花的地方，是波峰与波谷之间 的零值据此，赫兹量出驻波的波长，并计算了振荡偶极子的零值据此，赫兹量出驻波的波长，并计算了振荡偶极子 的振荡火花频率，两者相乘即得的振荡火花频率，两者相乘即得电磁波的速率计算出来的电磁波的速率计算出来的 数值和麦克斯韦预料的完全相同，电磁波的速率等于光数值和麦克斯韦预料的完全相同，电磁波的速率等于光 速速赫兹在赫兹在18881888年成功地做了这一实验赫兹接着还进行了年成功地做了这一实验赫兹接着

13、还进行了 关于电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等多种关于电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等多种 实验，这样赫兹就完成了电磁波和光波具有同一性的实验验实验，这样赫兹就完成了电磁波和光波具有同一性的实验验 证赫兹的实验公布后，立即引起了全世界科学家的瞩证赫兹的实验公布后，立即引起了全世界科学家的瞩 目谁也没有想到，用这样简单的仪器竟验证了麦克斯韦的目谁也没有想到，用这样简单的仪器竟验证了麦克斯韦的 高深理论，任何怀疑的人都可以亲自动手进行证实高深理论，任何怀疑的人都可以亲自动手进行证实 赫兹的成功，使他成了世界上最有名望的科学家之一赫兹的成功，使他成了世界上最有名望的科学家之一

14、 赫兹的实验赫兹的实验 大量实验表明，电磁波谱没有上限和下限，大量实验表明，电磁波谱没有上限和下限， 从无线电波、微波、红外线、可见光、紫从无线电波、微波、红外线、可见光、紫 外线到外线到X X射线、射线、射线等都是电磁波。射线等都是电磁波。 电磁波在各波段上都有极为广泛的应用，可电磁波在各波段上都有极为广泛的应用，可 见光只占电磁波谱中极为狭小的一段。原见光只占电磁波谱中极为狭小的一段。原 因是这一段是太阳辐射功率最大的一部分，因是这一段是太阳辐射功率最大的一部分， 生物选择这一小段作为可见光有利于进化，生物选择这一小段作为可见光有利于进化， 不同生物的可见光范围不同，对人来说是不同生物的可

15、见光范围不同，对人来说是 400nm400nm到到760nm760nm。 按麦氏方程，电磁波在介质中的速度为按麦氏方程，电磁波在介质中的速度为 光学中折射率光学中折射率n n是真空光速与介质光速比是真空光速与介质光速比 故故 这就是麦克斯韦关系，光与电磁波联系起来这就是麦克斯韦关系，光与电磁波联系起来 c v 或n v c n 电磁波谱电磁波谱 电磁波谱电磁波谱 光的电磁说光的电磁说 红外线红外线 紫外线紫外线 伦琴射线伦琴射线 光的电磁说光的电磁说 红外线红外线 在电磁波中，能够作用于人的眼睛并引起在电磁波中，能够作用于人的眼睛并引起 视觉的，只是一个很窄的波段，通常叫做可见视觉的，只是一个

16、很窄的波段，通常叫做可见 光。其中波长最短的是紫光，波长约为光。其中波长最短的是紫光，波长约为400nm;400nm; 波长最长的是红光，波长约为波长最长的是红光，波长约为760nm760nm，波长更长，波长更长 的光不能引起视觉，叫做红外线，红外线的波的光不能引起视觉，叫做红外线，红外线的波 长范围很宽，约为长范围很宽，约为770nm770nm10106 6nmnm 返回目录返回目录 利用灵敏的红外线探利用灵敏的红外线探 测器接收物体发出的测器接收物体发出的 红外线，用电子仪器红外线，用电子仪器 对收到的信号进行处对收到的信号进行处 理，就可以知道被测理，就可以知道被测 物体的信息物体的信息

17、 红外线主要作红外线主要作 用是热作用，可用是热作用，可 以利用红外线来以利用红外线来 加热物体和进行加热物体和进行 红外线遥感红外线遥感 光的电磁说 红外线技红外线技 术的应用术的应用 详介详介 返回目录返回目录 利用红外线检测人体的健康状态，本图片利用红外线检测人体的健康状态，本图片 是人体的背部热图，透过图片可以根据不同颜是人体的背部热图，透过图片可以根据不同颜 色判断病变区域色判断病变区域 红外线检视器是利用红外线能穿透颜料的特红外线检视器是利用红外线能穿透颜料的特 性，揭示顏料层下隐藏的资料利用红外线发射性，揭示顏料层下隐藏的资料利用红外线发射 器、接收器及屏幕显示器，油画上炭笔初稿

18、稿及器、接收器及屏幕显示器，油画上炭笔初稿稿及 已往曾经进行过的修复工作都能一一呈现于眼已往曾经进行过的修复工作都能一一呈现于眼 前前 红外线卫星云图显红外线卫星云图显 示一九九九年九月十示一九九九年九月十 六日台风约克于清晨六日台风约克于清晨 靠近香港时靠近香港时, ,中心的风中心的风 眼清晰可见。眼清晰可见。 返回 行星状星云行星状星云NGC 7027NGC 7027的红外线照片的红外线照片 返回 光的电磁说光的电磁说 紫外线紫外线 紫外线也是不可见光，他的波长比紫光还紫外线也是不可见光，他的波长比紫光还 短，大约为短，大约为100nm100nm400nm400nm紫外线有荧光作用，紫外线

19、有荧光作用， 有些物质受到紫外线照射时可以发出可见光有些物质受到紫外线照射时可以发出可见光 紫外线可以促使人体合成维生素紫外线可以促使人体合成维生素D D，有助于，有助于 人体对钙的吸收，所以儿童经常晒太阳能够预防人体对钙的吸收，所以儿童经常晒太阳能够预防 缺钙引起的佝偻病，但是过多的紫外线会使皮肤缺钙引起的佝偻病，但是过多的紫外线会使皮肤 粗糙，甚至诱发皮肤癌粗糙，甚至诱发皮肤癌 紫外线能够杀灭多种细菌，可以用紫外线进紫外线能够杀灭多种细菌，可以用紫外线进 行消毒行消毒 注意：红外线与紫外线人眼都是看不到的注意：红外线与紫外线人眼都是看不到的 返回目录返回目录 紫外线紫外线 画面上可以清晰的

20、看画面上可以清晰的看 到钱币上的防伪标记到钱币上的防伪标记 返回目录返回目录 光的电磁说光的电磁说 伦琴射线伦琴射线 波长比紫外线更短的光叫做伦琴射线，也叫波长比紫外线更短的光叫做伦琴射线，也叫X X射射 线是德国物理学家伦琴在线是德国物理学家伦琴在18951895年发现的他的穿透年发现的他的穿透 能力很强，能使包在黑纸里的照像底片感光，下能力很强，能使包在黑纸里的照像底片感光，下 图是产生图是产生X X射线的装置，叫做射线的装置，叫做X X射线管：射线管： 1 1、K K是阴极是阴极 2 2、A A是阳极是阳极 （也叫对阴极）（也叫对阴极） 返回目录返回目录 通电时，由阴极发通电时，由阴极发

21、 出的电子打在对阴出的电子打在对阴 极上，在阴极上激极上，在阴极上激 发出发出X X射线。射线。 光的电磁说光的电磁说 伦琴射线伦琴射线 X-X-射线具有比紫外线更短的波长。它们能穿透固体物质并使胶片射线具有比紫外线更短的波长。它们能穿透固体物质并使胶片 感光；具有强穿透能力的感光；具有强穿透能力的X-X-射线，在医院里用来杀死癌细胞。但它们射线，在医院里用来杀死癌细胞。但它们 对健康细胞也有杀伤作用，所以需要对对健康细胞也有杀伤作用，所以需要对X-X-射线管用铅仔细屏蔽。穿透射线管用铅仔细屏蔽。穿透 能力较小的能力较小的X-X-射线波长较长，只能穿透肌肉，不能穿透骨骼。射线波长较长，只能穿透肌肉