光学与我们的生活-2013-07-28

现代光学前沿讲座2013-07-28光与我们的生活郑海荣陕西师范大学物理学与信息技术学院现代光学研究所LightandOpticsinourdailylife生活中的光与光学AbouttheOptics----OpticalScience光学UnderstandingtheLight对光的认识TheOriginoflight光的产生ColorDisplay彩色显示器Microscopicandimagine显微镜与成像Laser激光Nanomaterials纳米材料OutlineLightandOpticsinourdailylife生活中的光与光学4Sunlight5Rainbow6Bio-fluorescence同星珊瑚海洋生物7Acolorfulskyisoftenduetoscatteringoflightoffparticulesandpollution8Theeffectsofapolarizingfilterontheskyinaphotograph.Leftpictureistakenwithoutpolarizer.Fortherightpicture,filterwasadjustedtoeliminatecertainpolarizationsofthescatteredbluelightfromthesky.9Whenoilorfuelisspilled,colorfulpatternsareformedbythin-filminterference.10CreationandapplicationoftheLight11Indicator12液晶平板LCD显示器等离子体平板PDP显示器阴极射线管显示CRT13CameraAmplifier14Glasses15TelescopeMicroscope16哈勃太空望远镜SpaceTelescope17斯必泽空间望远镜（SpitzerSpaceTelescope，缩写为SST）是美国宇航局2003年发射的一颗红外天文卫星，是大型轨道天文台计划的最后一台空间望远镜18天体物理紧密衔接粒子物理光学已应用到物理学的各个空间尺度AbouttheOptics----OpticalScience光学20OpticsOpticsisabranchofphysics.Itinvolvesthebehaviorandpropertiesoflight,includingitsinteractionswithmatterandtheconstructionofinstrumentsthatuseordetectit.Itusuallydescribesthebehaviorofvisible,ultraviolet,andinfraredlight.21Models：Geometricoptics：lightasacollectionofraysthattravelinstraightlinesandbendwhentheypassthroughorreflectfromsurfaces.Physicaloptics：morecomprehensive,itincludeswaveeffectssuchasdiffractionandinterferencethatcannotbeaccountedforingeometricoptics.22NatureofLightLighthasbothwave-likeandparticle-likeproperties.Explanation：quantummechanics.Particle-likeproperty：thelightisacollectionofphotons.Wave-likeproperty:thelightisanelectro-magneticwavethathasthecharacteristicsofwaves.UnderstandingtheLight对光的认识24Lightdispersionthroughaprism25Colorvs.Frequency/wavelengthHighfrequency(blue)lightisdeflectedthemost,Lowfrequency(red)lightisdeflectedtheleast.2627Positionofthevisiblelight28Visiblespectrumfromviolet(400nm)tored(700nm)fromlefttoright:Gammarays,X-rays,ultravioletrays,visiblespectrum,infrared,microwaves,radiowaves.29LightspectrumSpectrumofsunlightWavelength(nm)540560580600620640660Emissiom(a.u.)020406080100TheOriginoflight光的产生31Nuclearmodelofatom量子理论能级位置、跃迁几率能级位置谱线频率/荧光波长本征函数谱线强度/跃迁几率32能级结构Energylevels33跃迁过程Opticaltransition344770478047904800481048204830050001000015000200000.5%pr3+:LaF3bulkcrystal0.1%pr3+:LaF3nanocrystalIntensity(a.u.)Wavelength(A)Up-convertedemissionfromPr3+dopedLaF3bulkcrystalandnanocrystalwhen1D2(II)at5916Aisexcited,T=15K.0500010000150000200040006000800010000120001400016000180002000022000240003F43F33F21G43H53P23P1&1I63P01D23H63H4energy(cm-1)Pr3+LightAbsorptionandEmission35Mechanismoftheup-conversionfromPr3+:LaF3020004000600080001000012000140001600018000200002200024000Pr3+3F43F33F21G43H53P23P1&1I63P01D23H63H4energy(cm-1)Pr3+InteractionsamongLn3+ionsresultintheenergytransferbetweentheionsDAPhononassistedenergytransferProcessoflightemission4770478047904800481048204830050001000015000200000.5%pr3+:LaF3bulkcrystal0.1%pr3+:LaF3nanocrystalIntensity(a.u.)Wavelength(A)Up-convertedemissionfromPr3+dopedLaF3bulkcrystalandnanocrystalwhen1D2(II)at5916Aisexcited,T=15K.05000100001500036Resultoftransitionbetweenenergylevels37ColorDisplay彩色显示器38液晶平板显示器LCD等离子体平板显示器PDP阴极射线管显示CRT彩色显示器工作原理39基本概念1三原色（RGB）三种选定的颜色.各色相互独立，其中任一种不能由另外两种混合而得；当它们以不同比例混合就可得到不同的颜色。三原色的选择在原则上是任意的，但验研究发现，人的眼睛对红、绿、蓝三种颜色反应最灵敏，而且它们的配色范围广，色可以随意配出自然界中的大部分颜色，因此在大多数显示器中选用红（R）、绿（G）、蓝（B）作为三原色.40基本概念2像素（pixel）象素是指组成图像的最小单位，也即发光“点”。荧光屏上按一定方式紧密排列的红、绿、蓝三种颜色的荧光粉点或荧光粉条，称为荧光粉单元，相邻的红、绿、蓝荧光粉单元各一个为一组，学名称之为像素（pixel）。每个像素中都拥有红、绿、蓝(R、G、B)三原色.41基本概念3点距(DotPitch)、分辨率(Resolution)点距是指屏幕上两个相邻荧光点的距离，点距越小，显示器显示图形越清晰。常见点距规格有0.31mm、0.28mm、0.25mm等，某些产品甚至达到0.21mm。分辨率指屏幕上象素的数目。数目越大，分辨率也就越高，显示器的性能越好。42主要构成：电子枪(Electrongun)、偏转线圈(Deflectioncoils)、荫罩(Shadowmask)、荧光粉层(phosphor)和玻璃外壳(荧光屏)。显象管电子枪CRT显示器(阴极射线显像管)43CRT显示器工作原理显像管内的电子枪所发射的电子束穿过阴极罩上的小孔，聚焦在内层涂满了无数三原色（RGB，红绿蓝）荧光粉的玻璃屏幕上，使荧光粉激发并发光，最终在荧光屏形成有电子束位置所控制的显示画面。44原理：利用液晶的光学各项异性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。常用液晶为Nematic类型。特点：体积小、重量轻、省电、不产生高温,低辐射、画面柔和不伤眼等。响应时间反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，此值愈小愈好。响应时间越小，播放动态影像时才清晰无残影，不会产生影像拖尾的现象。液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）45LCD显示器工作原理液晶，即液态晶体。是一种在常温条件下呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各向异性的有机化合物.当通电时分子排列有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间，利用LC在电场作用下的光学旋转性质调节通过LCD平板的光强。即当给液晶上加一个电压时，液晶分子便会转动，从而改变光透过率,从而实现多灰阶显示。因此LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。对于更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。46LiquidCrystalPixel:ON47LiquidCrystalPixel:OFF48LCDLightingTheory49Operationoftwistednematicfieldeffectmodeliquidcrystalcell.50LCD主要结构冷阴极荧光灯作为背光源51薄膜晶体管液晶显示TFTLCD(ThinFilmTransistorLCD)TFT是有源矩阵类型液晶显示器,在其背部设置特殊光管,可以主动对屏幕上的各个独立的像素进行控制,这也是所谓的主动矩阵TFT的来历。TFTLCD具有三明治状的结构，液晶填充在两片玻璃之间。笔记本液晶屏常用的是TFT。52LED背光液晶显示器“LED背光液晶显示器”即目前市面上所谓的LED显示器。仍属液晶显示器，只是背光源不一样而已：它用LED代替了传统的液晶背光模组。因为采用了固态发光器件，对环境的适应能力非常强，所以LED的使用温度范围广、低电压、耐冲击。而且LED光源没有任何射线产生，低电磁辐射、无汞可谓是绿色环保光源。53有机发光显示器OLEDOrganicLight-EmittingDiode也称有机发光二极管。是通过电流驱动有机薄膜本身发光，发的光可为红、绿、蓝、白等单色，同样也可以达到全彩的效果。发光机理：在外界电压的驱动下，由电极注入的电子和空穴在有机材