第1章-光学基础知识与光辐射

第1章光学基础知识与光辐射光电子技术基础厚德博学求实创新主要内容了解光的波粒二象性及其典型现象掌握电磁波的产生、传播及在空间传播的电磁波的一些普遍特性掌握麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式掌握光的传播规律了解辐射度学和光度学基础知识掌握黑体热辐射的一些基本定律1.1光的波粒二象性在人们对物理学的研究过程中，光的本性和光的颜色问题一直是研究的热点。17世纪西方对于光的本质的认识有两种主要的学说：以牛顿为代表的微粒说，认为光是直线传播的微粒流；以惠更斯为代表的波动说，认为光在弹性介质中传播的波动。惠更斯认为，光是一种机械波，光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。牛顿提出了两点反驳惠更斯的理由。一是光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物；二是方解石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，而波动说是无法解释其原因的。由于牛顿的权威，微粒说占了上风，致使很长时间波动说观点被忽略。1.1光的波粒二象性19世纪，杨氏(T.Young)和菲涅尔(A.J.Fresnel)等人发现了光的干涉、衍射和偏振等现象。这些现象都是光的波动性的基本特征。1850年，佛科(J.B.Foucault)利用实验测出了光在水中的速度，证实光在水中的速度要小于在空气中的速度。19世纪中期，麦克斯韦(J.C.Maxwell)建立了电磁场理论，确认光是一种电磁波，否定了惠更斯的机械波动说。随后赫兹在实验室证明了电磁波的存在，并进一步证明了电磁波和光波一样能发生反射、折射、干涉和偏振等现象。19世纪末，迈克尔逊干涉实验进一步摒弃了有关“以太”的假设，从而为波动说建立了更为坚实的理论基础。1.1光的波粒二象性19世纪末，人们发现了一些不能用波动说解释的现象。如黑体辐射、光电效应和原子的线状光谱等。20世纪初普朗克提出了光辐射的量子理论。1905年爱因斯坦发表了题为《光于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文。他认为对于时间的平均值，光表现为波动；而对于时间的瞬时值，光表现为粒子性。光的波粒二象性在20世纪初得到了科学家们的公认。1.1光的波粒二象性光子能够表现出经典电磁波的干涉、折射和衍射等性质。描述光子波动特征的物理量是频率v和波长。光子具有波动性表现为它在空间运动轨迹的不确定性，即在考察每个光子的运动时，光子没有确定的轨迹。但是在考察光子束的全部光子的运动时，光子的运动就表现出与经典电磁波动理论计算结果一致的规律性。1.1.1光子的波动性光子的粒子性表现为和物质相互作用时不像经典电磁波那样可以传递任意值的能量，其只能传递量子化的能量。描述光子粒子性特征的物理量是能量和动量P。光是以光速运动的粒子（或光子）流，每一个光子的能量是：式中，h为普朗克常量，v为光的频率，为光的圆频率。光的能量密度或光强I(单位时间内垂直通过单位面积的光能)决定于单位时间内通过的光子数N，其表示式为：hhI=Nhv1.1.1光子的粒子性20cmpcchvcp根据爱因斯坦狭义相对论，每个光子的质量为：22Ehvmcc由相对论的能量和动量关系：光子的静止质量为零，所以光子的动量大小为：描述光子的粒子性物理量能量和动量p与波动性物理量频率v和波长之间，存在下式关系：hp1.1.1光子的粒子性电磁波是一种物质，也具有能量。电磁场理论认为，光是一定频率范围内的电磁波，而电磁波就是变化电磁场的传播。变化的电场E会产生磁场B，变化的磁场B会产生电场E，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。1.2光的电磁理论电磁波的产生电磁波的传播方向垂直于由电场E和磁场B组成的平面，有效地传递动量和能量等。电磁波传播方向1.2.1电磁波的性质电磁波是横波，所以电场矢量E和磁场矢量H所组成的平面垂直于传播方向K，电场矢量E和磁场矢量H与传播方向K构成右手螺旋关系。沿给定方向传播的电磁波，E和H的振动方向均在垂直于传播方向K的平面内，这种特性即为偏振性。空间各点E和H都做周期性变化，而且相位相同。在任意时刻空间任一点，E和H在量值上的关系为HE(1-8)1.2.1电磁波的性质1.2.2电磁波谱电磁波谱真空中的波长频率/MHZ主要产生方式本质用途无线电波1mm3×105由振荡电路所产生的电磁辐射无线电技术红外线0.76m～1mm3×105～4×108由炽热物体气体放电或其它光源激发分子或原子等所产生的电磁辐射外层电子跃迁红外线遥感可见光0.40～0.76m4×108～7.5×108照明、摄影紫外线0.03～0.40m7.5×108～1010医用消毒、防伪、照相制版X射线0.1nm～0.03m1010～3×1012用高速电子流轰击原子中的内层电子而产生的电磁辐射内层电子跃迁检查、医用透视射线1.0pm～0.1nm3×1012～3×1014反射性原子衰变所发出的电磁辐射原子核衰变或裂变金属探伤、医用治疗1.2.2电磁波谱电磁波谱的划分、产生方式和用途1.2.3麦克斯韦方程组积分形式sqdsDsdsB0dstBdlELsdstDjdlHscL)(当00,ttBD方程组就还原为静电场和稳恒磁场的方程：sqdsDsdsB00LdlEIdlHL1.2.3麦克斯韦方程组1.2.3麦克斯韦方程组微分形式D0BtBEtDHj在不同的惯性参考系中，麦克斯韦方程都有同样的形式。应用麦克斯韦方程组解决实际问题时还要考虑电介质和磁介质对电磁场的影响。麦克斯韦方程组涉及到的方程包括：安培环路定理。即磁场强度沿任意回路的环量等于环路所包围电流的代数和。法拉第电磁感应定律。即电磁场互相转化，电场强度的旋度等于磁感应强度对时间的负偏导。磁通连续性定理。即磁力线永远是闭合的，磁场是没有标量的源。高斯定理。即穿过任意闭合面的电位移通量，等于该闭合面内部的总电荷量。1.2.3麦克斯韦方程组当光波由一种介质入射到另一种介质时，在界面上会发生发射和折射。假设两种介质为均匀、透明、各项同性，分界面为无穷大平面，入射、反射和折射光均为平面光波，其电场表示式为：1.3光的传播规律1.3.1光的反射和折射(-)0llitllekrEEl=i,r,t1.3光的传播规律sinsiniirrnnsinsiniittnn光在介质界面上的反射定律和折射定律光的反射和折射设由同一光源分离出来的两束光的光矢量分别为：两束光要发生干涉，必须满足以下条件：(1)传播方向和振动方向相同；(2)振动频率相同；(3)相位差恒定。根据电磁波叠加理论，两束光在干涉区域内叠加可以得到具有同样频率或周期的合振动：1.3.2光的干涉111(,)(,)exp[(,)]ExyAxyixy222(,)(,)exp[(,)]ExyAxyixy1122(,)(,)exp[(,)]+(,)exp[(,)]ExyAxyixyAxyixy1.3.2光的干涉由光学原理可知，光强与光波振幅A的平方成正比。1222121212121212(,)(,)(,)(,)(,)2(,)(,)cos[(,)(,)](,)(,)2(,)(,)cos[(,)(,)](,)(,)cos(,)IxyExyExyAxyAxyAxyAxyxyxyIxyIxyIxyIxyxyxyaxybxyxy2max121212(,)(,)(,)(,)(,)2(,)(,)IxyAxyAxyIxyIxyIxyIxy2min121212(,)(,)(,)(,)(,)2(,)(,)IxyAxyAxyIxyIxyIxyIxy12maxminmaxmin122(,)(,)(,)(,)=(,)(,)(,)IxyIxyIIbxypxyIIIxyIxyaxy光强分布的另一表达式为：1.3.2光的干涉(,)(,)1(,)cos(,)Ixyaxypxyxy在空间变化，其大小决定了光强的大小。2mml2max12IAA21m2/)12(ml(m=0,±1,±2,…)2min12IAA当：则：称为相长干涉，呈现亮条纹当：则：称为相消干涉，呈现暗条纹实现光的干涉两种方法1—分波面法；2—分振幅法1.3.2光的干涉迈克尔逊干涉仪1—激光；2—扩束透镜；3—半反射膜1.3.2光的干涉当光在传播过程中遇到障碍物时，光会绕过障碍区而进入几何阴影区，这种现象称为光的衍射现象。光的衍射可以用惠更斯—菲涅尔原理解释：波面上的任一点都可看成能向外发射子波的子波源，波面前方空间某一点的振动就是到达该点的所有子波的相互叠加。在定量计算和分析子波干涉在某点所产生的效果时，要考虑波面是平面波还是球面波以及在多远的地方观察衍射图样等问题。1.3.3光的衍射两类衍射（a）菲涅尔衍射；（b）夫琅禾费衍射1.3.3光的衍射根据光源、障碍物和观察屏三者的相对位置将衍射分为两大类：菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射。菲涅尔衍射指光源和观察屏（或其中之一）离障碍物为有限远时所产生的衍射；夫琅禾费衍射指光源和观察屏离障碍物的距离为无限远时所产生的衍射。两个透镜实现了“无限远”的条件，衍射图样是一组平行于狭缝的明暗相间的条纹。位于中央的条纹为亮条纹，宽度最宽而且最亮，称为中央明纹，其它条纹对称地分布在中央明纹两侧。单缝衍射的明纹公式为：sin=(2+1)2ak（k=1,2,…）利用实验方法实现夫琅禾费衍射1.3.3光的衍射单缝衍射圆孔衍射图样是一系列明暗相间的同心圆环，中央是一个亮斑，称为艾里斑。分布在艾里斑上的光能大约占通过圆孔总光能的84%。在圆孔的夫琅禾费衍射中，艾里斑的直径通常都很小，所以角半径也很小，利用惠更斯-基尔霍夫公式可以算出第一暗环衍射角满足θ：D为通光孔径。艾里斑规定了光学仪器的分辨率极限，由上式可知提高光学仪器分辨本领的基本途径是：加大物镜的通光孔径D采用较短的工作波长sin122.D1.3.3光的衍射艾里斑光的干涉和衍射现象体现了光的波动性，但不能充分证明光波到底是横波还是纵波。光的偏振现象充分说明了光波是横波。普通光源发出的光是大量分子或原子自发辐射的电磁波，含有各种不同的频率成分和各种不同振动方向的光矢量。若光矢量的振动在各个方向上出现的概率相等、时间平均值相同且各个光振动之间没有固定的相位关系，这样的光称为自然光。如果空间传播的电磁波，其电场矢量在某一特殊的平面内振动，则称这种电磁波为完全偏振波或线偏振波。1.3.4光的偏振1.3.4光的偏振由自然光得到偏振光的过程称为起偏，所用器件为起偏器；检查某光束是否为线偏振光的过程称为检偏振，所用器件为检偏器。常见的起偏方式主要有两种：一是由双折射获得偏振光；二是利用反射获得偏振光。当一束光以任意入射角i1入射到两种各向同性的介质的分界面上而发生反射和折射时，其反射光一般都变为部分偏振光。当入射角i1等于某一特定的角ib时则反射光成为线偏振光，且其光振动垂直于入射面。由反射获得线偏振光（a）一般入射角下的反射和折射；（b）布儒斯特角下的反射和折射1.3.4光的偏振而：122sinsinbnini21tanbnin21arctanbnin布儒斯特定律Ib：布儒斯特角设入射和折射介质的折射率分别为n1和n2，ib与折射角i2的关系为：22bii1.3.4光的偏振则：对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度学单位两套不同的单位体系。辐射度学量是用能量单位描述光辐射能的客观物理量，适用于整个电磁波段，其基本量是辐射通量或辐射能。光度学量描述光辐射能为人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度，适用于可见光波段，其基本量是发光强度。1.4辐射