光和光的传播

光和光的传播第一页，共六十九页，2022年，8月28日光和光的传播第一章第二页，共六十九页，2022年，8月28日本章内容本章内容Contentschapter1光和光学

光的几何光学传播规律惠更斯原理费马原理光度学基本概念第三页，共六十九页，2022年，8月28日机械波的产生及描述光和光学1ssss第四页，共六十九页，2022年，8月28日§1.1光的本性？电磁波在介质分解面发生的发射和折射现象，传播过程中的干涉、衍射和偏振现象，电磁波在真空中的传播速度等于c……光是一种频率极高的电磁波，具有波粒二象性:光在传播过程中，表现出波动性；光在与物质相互作用过程中表现出光的粒子性（量子性）。第五页，共六十九页，2022年，8月28日1.2光源与光谱1、热（辐射）光源热能转变为辐射的光源。任何温度下，任何固体或液体中原子、分子热运动能量改变时辐射出各种波长的电磁波（光波）。光波为连续谱。如太阳，白炽灯等。固体在温度升高时颜色的变化。

1400K800K1000K1200K

由于物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度，所以称为热辐射。第六页，共六十九页，2022年，8月28日物体由大量原子组成，热运动引起原子碰撞使原子激发而辐射电磁波。原子的动能越大，通过碰撞引起原子激发的能量就越高，从而辐射电磁波的波长就越短。热运动是混乱的，原子的动能与温度有关，因而辐射电磁波的能量也与温度有关。这样能理解：加热铁块，温度，铁块颜色由看蓝白色不出发光

暗红橙色黄白色第七页，共六十九页，2022年，8月28日即这种与温度有关的电磁辐射，称为热辐射。激光、日光灯发光就不是热辐射。并不是所有发光现象都是热辐射，例如：任何物体在任何温度下都有热辐射，波长自远红外区连续延伸到紫外区（连续谱）。温度辐射中短波长的电磁波的比例

第八页，共六十九页，2022年，8月28日头部的红外照片（热的地方显白色，冷的显黑色）

低温物体（例如人体）也有热辐射，但辐射较弱，并且主要成分是波长较长的红外线。第九页，共六十九页，2022年，8月28日中国第一张红外照片（熊大缜于1935年拍摄的北京西山夜景）第十页，共六十九页，2022年，8月28日鸟的羽毛的颜色是不是热辐射？第十一页，共六十九页，2022年，8月28日2、非热光源A气体放电光源—日光灯水银灯气体激光器。。－＋放电管高压镇流电阻原子从较高的能级跃迁到较低的能级时，以辐射的方式释放能量，获得单色性优良的光波。B

金属蒸气电弧光源在放电管中注入少量低熔点的金属元素如Na、Hg、Cs，金属原子将参与放电而被激励到高能级上，随后又自发地跃迁到基态或其他低能级而发光。第十二页，共六十九页，2022年，8月28日C固态发光体—红宝石蓝宝石YAG激光器固体材料受到外界激励后可产生光辐射。电致发光光致发光荧光：被激励到上能级的电子的寿命很短。磷光：被激励电子较长时间停留在上能级。D同步辐射光源加速运动的电荷以电磁波的形式辐射能量。电子加速后进入“贮存环”中，电子在受磁场作用改变运动方向时，可发射各波段的同步辐射。第十三页，共六十九页，2022年，8月28日同步辐射光源高强度

利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。宽波谱

同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线，是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。高准直性

利用同步辐射光学元件引出的同步辐射广源具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。脉冲性

同步辐射光是由与储存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程等。偏振性

与可见光一样，储存环发出的同步辐射光根据观察者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。第十四页，共六十九页，2022年，8月28日3、热光源与非热光源的区别（1）本质上在热光源中是原子、分子的热运动能量转化为光辐射；而非热光源是电子跃迁产生辐射。（2）光谱上热光源为连续谱；而非热光源是各原子独立发光，为分立的线光谱。（3）温度上热光源辐射的光谱与物质无关，强度与物质的表面温度有关；而非热光源与温度无关。第十五页，共六十九页，2022年，8月28日

能流：单位时间内垂直通过某一面积S的能量.udtS

平均能流：能流也是周期性变化的，其在一个周期内的平均值称为平均能流。

能流密度(光的强度)单位时间，垂直通过单位面积的平均能量。单位时间垂直通过面积S的平均能量：能流(功率)单位：瓦特W即光的强度等于光波平均能量与波速的乘积。同时可以看出光的强度与振幅也有关。4.光强能量密度第十六页，共六十九页，2022年，8月28日能流密度：在单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量或者表示为通过单位面积的功率。在波动光学中常把振幅的平方所表征的光照度叫光强度。总之，光是某一波段的电磁波，人眼能够感知的只是非常窄的一个电磁波段。每一种颜色的光并不是只对应唯一的一个频率，而是一个波段。对人眼和感光仪器起作用的是电矢量。对人眼和感光仪器起作用的是电矢量E。第十七页，共六十九页，2022年，8月28日

5光谱单色光：单一波长的光。非单色光（复色光）。光谱：非单色光的光强按波长的分布i~λλi0准单色光：具有单一线状光谱的光，近似单色光。有连续光谱，线状光谱，带状光谱。谱线宽度ΔλΔλ单位波长区间的光强，又称为谱密度：第十八页，共六十九页，2022年，8月28日10310610910121015102210310010-610-9101310510-2HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm11nmA01μmX射线紫外线可见光红外线微波高频电视调频广播雷达无线电射频电力传输射线γ电磁波谱频率波长第十九页，共六十九页，2022年，8月28日TheElectromagnetic-PhotonSpectrum第二十页，共六十九页，2022年，8月28日电磁波谱10310110-110-310-510-710-910-1110-1310-1510-910-710-510-310-1101103105107109无线电波可见光红外线紫外线硬X射线伽马射线软X射线微波同步辐射光源(eV)可探测的物体建筑物波长（米）辐射源粒子加速器棒球昆虫细胞病毒蛋白质分子原子核质子夸克？原子放射性源X射线管电灯无线电天线速度调制管光子能量（eV）第二十一页，共六十九页，2022年，8月28日六、光是电磁波的一部分

长波段表现出显著的波动性。检测方法是利用电磁振荡耦合，得到输入信号的振幅和相位。短波段表现出极强的粒子性。检测方法是利用它与其他物质的相互作用，得到粒子流的强度，而无需相位关系。

光通讯：光波作为信息的载体而远距离传输信息。光信息处理：光波中的各种信息如相位、偏振态、频率的变化都可用光强的变化来测量。第二十二页，共六十九页，2022年，8月28日指纹采集图样第二十三页，共六十九页，2022年，8月28日六、光子与电子之间的相似性

德布罗意假设：一切实物粒子（电子，分子...）具有波粒二象性。

1927年戴维孙（C.J.Davisson）和革末（L.H.Germer）用加速后的电子投射到晶体上进行电子衍射实验。GφφK狭缝电流计镍集电器U电子射线单晶第二十四页，共六十九页，2022年，8月28日相似性：1、光子与电子都是具有能量和动量的粒子。都可以与其他物质相互作用而交换其动量和能量。

P=mv=h/λ，E=hν

2、光子与电子都可以进行衍射、偏折、成象。不同点：

光子静质量为零，呈电中性；电子具有质量，带负电荷

光子探针可利用超短光脉冲探测超快演变过程，具有更普遍的应用性。第二十五页，共六十九页，2022年，8月28日晶体中有很多的晶面族。不同的晶面族有不同的间距，即，晶格常数，d。晶体结构周期性——立体光栅第二十六页，共六十九页，2022年，8月28日晶体周期性的空间结构可以作为衍射光栅晶体结构周期性——立体光栅晶体是一种三维周期结构的光栅二维周期三维周期一维周期第二十七页，共六十九页，2022年，8月28日原子层间散射的电子束相遇也产生干涉，

即面间干涉。取极大值的条件为:Bragg条件，或Bragg方程，θ为相对于晶面的掠射角。电子在晶体中衍射原理第二十八页，共六十九页，2022年，8月28日电子衍射法与X射线衍射法比较

电子衍射法X射线衍射法穿透能力小于10-4mm可达1mm以上散射对象主要是原子核主要是电子研究对象适宜气体、薄膜适宜晶体结构和固体表面结构适合元素各种元素不适合元素H由于中子穿透能力大，所以用中子衍射法确定晶体中H原子位置就更有效。第二十九页，共六十九页，2022年，8月28日

扫描隧穿电子显微镜（STM）是利用一个极细的金属探针在与被观察的表面相距为纳米级的情况下发生的隧道效应。电子波在隧道中是指数衰减的，金属探针因而可探测到随表面形态变化的电流从而获得表面的图象。

光子扫描隧穿显微镜（PSTM）是用一支极细的光导纤维与该表面相贴近到小于光波长的距离，在光疏介质中光子将会通过隧道效应而被耦合到光导纤维中而被检测到，由于被检测的表面所产生的衰减电磁场与该表面的形态相似，所以可逐点扫描并记录其强度而获得表面的图象信息。第三十页，共六十九页，2022年，8月28日第三十一页，共六十九页，2022年，8月28日

电子在晶体的周期性晶格结构中运动时受到固体能带结构的限制。同理光子在周期性结构的介质中传播时也受到约束。若光子的能量小于介质的禁带宽度则光子将受阻，当把发光的原子放在该介质的内部时，原子的发光会受抑制。

利用能隙结构制备在光波波段具有三维周期性结构的材料。光子能隙结构第三十二页，共六十九页，2022年，8月28日1.工业：激光加工，纳米材料合成，测量；2.通讯IT：光纤通讯、信息处理、光盘存储；3.军事：制导，激光武器；4.能源领域：激光核聚变，人造太阳；5.医学：心血管和近视眼手术；6.生物农业：改性、育种；7.建筑：准直、测距；8.激光印刷；9.光计算机；10.室外灯光广告，舞台艺术。1.3光学技术的应用第三十三页，共六十九页，2022年，8月28日机械波的产生及描述光的几何光学传播规律2ssss第三十四页，共六十九页，2022年，8月28日

几何光学是以光的直线传播为根据来研究光线在介质中的传播规律，如成象，反射，折射….,各种光线仪器是以几何光学为基础发展起来的。几何光学也在这些仪器的改进和发展中得到发展。理论和实践是分不开的。

在波面线度比波长很多大时，研究光的反射，折射及成象等问题，如果不用波长、位相等波动概念而代之以光线和波面等概念，并用几何的方法来研究，将更为方便。第三十五页，共六十九页，2022年，8月28日光线—光能传播方向的几何线光束—有一定几何关系的一些光线的集合一.光源和光线1.光源光源—任何发光物体：太阳、烛焰、钨丝白炽灯、日光灯、高压水银荧光灯等点光源—可看成几何上的点，只有空间位置无体积的光源2.光线和光束第三十六页，共六十九页，2022年，8月28日几何光学中几何方法讨论成像规律3.光波波面波面：在任意时刻,振动位相值相同的各点所构成的曲面光振动—用电磁波中电场强度的变化表示波面对应的法线就是光束第三十七页，共六十九页，2022年，8月28日二.几何光学的基本定律1.光的直线传播定律：光在均匀介质中沿直线传播2.光的独立传播定律：两束光在传播途中相遇时互不干扰，即每一束光的传播方向及其他性质(频率、波长、偏振状态)都不因另一束光线的存在而发生改变(1)光的反射定律：反射线位于入射面内，反射线和入射线分居法线两侧，反射角等于入射角，即3.光的折射反射定律：第三十八页，共六十九页，2022年，8月28日平面镜是一个最简单的、不改变光束单心性的、能成完善像的光学系统第三十九页，共六十九页，2022年，8月28日ThebundleofraysfromthetopoftheobjectappearstooriginatefromtheimagebehindthemirrorThereisanimagepointforeverysourcepoint第四十页，共六十九页，2022年，8月28日Forthewomantoseeherfull-sizedimage,onlyahalf-sizedmirrorisneeded.Multiplereflectionscanbeobtainedwithtwoplanemirrors.第四十一页，共六十九页，2022年，8月28日Manyemergencyvehiclesarereversed-letteredsotheletteringappearsnormalwhenviewedthroughtherearviewmirrorofacar第四十二页，共六十九页，2022年，8月28日TheincomingraythatstrikespointAeventuallyemergesalongBD,paralleltotheincomingray.ThisarrayofcornerreflectorswasleftontheMoonbytheApollo14astronauts.Acornerreflector入射光线反射光线第四十三页，共六十九页，2022年，8月28日?思考题有人设想用右图所示的反射圆锥腔使光束的能量集中到极小的面积上，因为出口可以做得任意小，从而射出的光束的能流密度可以任意大。这种想法正确吗？注意：由于圆锥的截面两母线是不平行的，从入口进入的光线在逐次反射过程中入射角不断减小，必然会在某一点处光线从法线右侧入射，从而使光线返回入口。所以仅从反射定律来看，利用反射锥腔来聚焦光束能流的设想是不可能实现的。第四十四页，共六十九页，2022年，8月28日(2)光的折射定律：折射线位于入射面内,折射线与入射线分居法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一与入射角无关的常数，即*漫射：当界面粗糙时,各入射点处法线不平行,即使入射光是平行的,反射光和折射光也向各方向分散开—漫反射或漫折射。介绍第四十五页，共六十九页，2022年，8月28日太阳能电池应用漫反射对比第四十六页，共六十九页，2022年，8月28日举

例单晶硅/纳米硅的镜面反射对比第四十七页，共六十九页，2022年，8月28日R<2.0%(可见光区)

广谱、强的光吸收！Si和nc-Si漫反射谱比较HaijunXuandXinjianLi,OpticsExpress.16，2933(2008)第四十八页，共六十九页，2022年，8月28日有效折射率:

实部

n(E)和虚部K(E)

Basedon:

1.Kramers-Kronigtransform2.Tauc’sprinciple(ink-space)第四十九页，共六十九页，2022年，8月28日有效介电函数ε

(E):实部

ε1(E)和虚部ε2(E)样品低能峰位(eV)高能峰位(eV)

c-Si

3.44.6Si-NPA4.055.0

ΔE

0.650.4HaijunXu,XinjianLi,etal.,Semi.Sci.Technol.,19,2352(2009)第五十页，共六十九页，2022年，8月28日三.折射率光在真空中的传播速度为c折射率较大的介质称为光密介质，折射率较小的介质称为光疏介质。平行光的折射？试讨论一下平行光束折射后截面积的变化。第五十一页，共六十九页，2022年，8月28日有：在线性介质的光场中，光的扰动频率仅由光源决定，它与传播的介质无关。同一谱线的光波在不同介质中虽然有不同速度，但其频率是不会改变的，均同于真空中的光频，即n

>1，介质中的波长变短了！介质中的光频是否等于真空中的光频?思考第五十二页，共六十九页，2022年，8月28日•

色散：一种介质对不同波长的光具有不同的折射率。一束白光经界面折射，就被分为不同颜色的光束。棱镜分光是先后两次折射的色散效应。大气中的虹霓是阳光经大量水滴的折射和反射而产生的色散现象。水晶的色散明显强于玻璃或有机玻璃。1.现象：第五十三页，共六十九页，2022年，8月28日四.光的可逆性由于折射定律的对称性,可得出光线传播的可逆性。表明：当光线沿与原来方向相反的方向传播时，其路径不变。注意：在不考虑介质吸收引起损耗时，波动现象就是一个可逆过程。当光从光密()射到光疏()介质时,一般情况下,折射角大于入射角,当入射角为某一ic

时,折射角为,折射线沿界面传播。五.临界角若入射角再增大，就不再有折射线了，此时光线将全部返回光密介质，且反射角等于入射角—全反射第五十四页，共六十九页，2022年，8月28日六.全反射（TotalInternalReflection：TIR）临界角ic第五十五页，共六十九页，2022年，8月28日只有反射而无折射的现象。当光从光密介质n1射向光疏介质n2（<n1）时,光线不再有折射，全部反射。入射角：临界角第五十六页，共六十九页，2022年，8月28日（1）全反射棱镜比一般平面镜能量损失小。全反射的应用用于倒像器中。（２）角锥棱镜第五十七页，共六十九页，2022年，8月28日（３）转向90°的五棱镜和倒向棱镜第五十八页，共六十九页，2022年，8月28日利用全反射原理，可制成光学元件——光纤利用高折射率材料制成芯线，外包一层低折射率的皮，由于光线的全反射，光线在芯内是锯齿形折线的径迹。单根阶跃型光纤只能传光而不能传图像，将众多光纤集束为光缆便可传图像。七.

光导纤维第五十九页，共六十九页，2022年，8月28日由直径约几微米的多根或单根玻璃（或透明塑料）纤维组成，每根纤维分内外两层，内层芯料的折射率n1=1.8左右，外涂层n2=1.4左右，其界面上全反射的临界角入射光的最大孔径角

数值孔径（镜口率），简写为N.A定义：媒质的折射率n与物镜孔径角的一半的正弦值的乘积。光纤通信具有容量大、抗干扰、保密性好的特点。第六十页，共六十九页，2022年，8月28日光导纤维