光电子技术(基础光学知识)

NanoPorousMaterialsGroup第二章光电子技术的基础光学知识2.1光的基本属性—波粒二重在日常生活中，光是最为人们所熟悉的东西。关于光学的研究大概至少可以追溯到2000多年前。约在公元前400多年，中国的《墨经》记载了可能是世界上最早的光学实验以及所获得的关于影、针孔成像、镜面成像、虹霓和月蚀的知识。差不多相同的时期，西方也有不少关于光学的实验和研究，公元前300年，希腊欧几里得的《反射光学》里就有光的直线传播性和反射定律的叙述。光学作为一门学科的真正的发展约在17世纪。由1621年斯涅尔发现光的折射定律，与早先发现的光的直线传播定律和反射定律一起构成了几何光学的基础。关于光的本性问题的研究和讨论很多，最终可以归纳为两种不同的学说，一种是以牛顿(Newton)为代表的微粒理论，另一种是以惠更斯(C.Huygens)为代表的波动理论。NanoPorousMaterialsGroup微粒理论认为，光是由发光体发出的光粒子（微粒）流所组成的，这些光微粒具有质量，与普通的实物小球一样遵从相同的力学规律。而波动理论则认为，光和声一样是一种波动，是由机械振动的传播而引起的一种波动。尽管这两种学说都能解释光的反射和折射现象，但是，在解释光线从空气进入水中的折射现象时，微粒理论需要假设水中的光速大于空气中的光速；而波动理论则需要假设水中的光速小于空气中的光速。由于当时人们还不能准确地用实验方法测定光速，因而难以根据折射现象去判断这两种学说的优劣。但由于牛顿在科学界的祟高威望，使得光的微粒理论在很长一段时间内占据着统治地位。19世纪初，杨(T.Young)和菲涅耳(A.J.Fresnel)等人在研究光的干涉、衍射和偏振等现象时，发现波动理论可以解释这些现象，而微粒理论则无能为力。1850年，佛科(J.B.L.Foucauｈ）用实验方法测定了水中的光速，证实水中的光速小于空气中的光速。这些事实都对波动理论提供了重要的实验论据。19世纪60年代，麦克斯韦(J.C.Maxwell)建立了电磁场理论，并认为光是一定频率范围内的电磁波，具有一般电磁波的波动特性，为波动说建立起更为坚实的理论基础。NanoPorousMaterialsGroup但是，从19世纪末到21世纪初，人们又陆续发现了一系列波动理论难以合理解释的现象，如黑体辐射、原子的线状光谱和光电效应等。以后，人们在努力解释有关光和物质相互作用的现象时，越来越多地认识到必须承认光具有粒子特性。1900年普朗克（M.Planck）提出辐射的量子理论,1905年爱因斯坦（Einstein）发展了普朗克的量子化假设，形成了一种全新意义的光子学说。这个光子学说的理论认为，光是具有一定能量和动量的粒子所组成的粒子流，这种遵从崭新量子力学规律的粒子称为光子。于是，人们对光是具有波动和粒子的双重性质，即光具有波粒二重性取得了较普遍的共识。NanoPorousMaterialsGroup2.2光是一种电磁波我们已经看到，光具有波动性，其波动特性符合电磁波的特征，那么我们有必要再回过头来认识一下电磁波。1864年麦克斯韦发表了“电磁场的动力理论”这一著名论文，建立了描述电磁场变化规律的麦克斯韦方程组及相关的理论。1887年赫兹（H.Hertz）应用电磁振荡的方法证实了电磁波的客观存在，并证明了电磁波和光波具有共同特性。电磁场理论认为，光实际上是一定频率范围内的电磁波，电磁波的传播实际上就是将变化的电磁场进行的传播。若在空间某区域有变化电场E(或变化磁场H)，那么将在邻近区域引起磁场H的变化(或电场E的变化），这种变化的电场和磁场相互激发、相互感生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。与此相关的电磁场的基本性质如下：NanoPorousMaterialsGroup(1)在电磁场中，电场矢量E、磁场矢量H和传播方向k三者相互垂直。E,H和k三个矢量的方向成右手螺旋关系；(2)电磁波是横波，沿给定方向传播的电磁波，E与H的振动方向都是在各自垂直于传播方向k的平面内，这一特性称为偏振性；(3)空间各点E和H都作周期性变化，并且它们的相位相同；(4)电磁波在真空中的传播速度为c=(2.1)式中：ε0为真空中的介电常数；μ0为真空中的磁导率。在国际单位制中，指定μ0=4π×10-7H/m，由精密测定ε0=8.854×10-12F/m，推算得c≈3.0×108m/s。电磁波的波谱范围很广，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、Ｘ射线和Y射线等。这些电磁波从波动特性的角度，本质上完全相同，只是波长不同而已。真空中电磁波的波长λ与频率υ的关系为λ=c/υ（2.2）真空中电磁波的传播速度c≈3.0×108m/s为常量，所以频率不同的电磁波在真空中具有不同的波长。频率愈高，对应的波长就越短。按照电磁波频率或波长的顺序可以排列起一电磁波谱图，如图2.1所示。001NanoPorousMaterialsGroup图2.1电磁波及可见光波长分布NanoPorousMaterialsGroup表2.1列出了电磁波段的详细划分及用途,这里涵盖了目前已经发现并得到广泛利用的不同波长的各类电磁波，这里有波长达104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。下面对各种不同性质的电磁波分别作简单的介绍。电磁波谱主要形成手段波长范围频率范围/MHz目前的主要应用无线电波长波电子线路3~30km0.01~0.1越洋长距离通讯、导航中波200m~3km0.1~1.5AM广播、电报通讯短波10~200m1.5~30AM广播、电报通讯超短波1~10m30~300FM广播、电视、导航微波行波管、调速管、磁控管1mm~1m300~3×105电视、雷达、导航光波红外线热体激光0.76um~1mm3×105~4×108雷达、导航、光线通信可见光电弧灯0.40~0.76um(4~7.5)×108紫外线汞灯0.03~0.40um7.5×(108~1010)医用、照相制版X射线X射线管0.1nm~0.03um1010~3×1012医用、探伤、物相分析Γ射线加热器1.0pm~0.1nm3×(1012~1014)探伤、物相结构分析NanoPorousMaterialsGroup波长超过lmm的电磁波我们统称为无线电波，其频率不超过300MHz。除了自然界本身具有的以外，我们通常研究和使用的无线电波主要是由包括各类晶体管等元器件制作的特定的电子线路产生，因此频率的纯度可以是很高。通过对电子线路进行调制，可用来承载和传递各种信息。百多年来无线电波已被广泛地应用于无线电广播、电视、移动电话、卫星转播、雷达和电磁炉等众多领域，已经成为日常生活中不可或缺的东西。无线电波我们无法用肉眼直接看见，而我们所讨论的可见光却是我们睁开眼睛就能见到的。可见光其实也是电磁波，但只占整个电磁波谱中很小的一部分，只有波长范围在400~760nm之间的电磁波能使人眼产生光的感觉。有意思的是不同波长的电磁波对人眼中所呈现的效果是各不相同，随着波长的缩短，呈现的感官效果，也可称为“颜色”依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。我们日常感受到的白光则是各种颜色的可见光的混合，也即是400~760nm之间的电磁波的混合。NanoPorousMaterialsGroup红外线波比红光的波长长，一般看不见，波长在0.76um~1mm之间。可被细分为近红外、中红外、远红外和极远红外几个部分。我们能以温度的形式感觉到部分红外线的存在。自然界中凡是温度高于绝对零度的物体都会发射出各自特定的红外线，这个特性对于观察和测定肉眼看不见的对象具有特殊的意义。利用目标和背景温度及物体发射红外线能力的差异可做成各种的红外线传感仪器，对目标进行探测、跟踪、搜索及成像，并能直接反映物体的温度分布、空间方位及运动状态等若干特征参量。目前红外技术已被广泛应用于军事、科学研究、工农业生产、医学和日常生活等各个领域。紫外线波比我们所见的紫色光的波长短，同样我们的眼睛也看不见，其波长范围在30~400nm之间。它也可以进一步按照波长由长到短细分为近紫外、远紫外和极远紫外三部分。炽热物体的温度很高时，除了辐射红外线外还会辐射紫外线。太阳光中有大量紫外线，人工制造的汞灯中也能发射出大量紫外线。紫外线有显著的化学效应和荧光效应，可用于医疗杀菌和照相制版等行业。NanoPorousMaterialsGroup比紫外线的波长更短的电磁波被称为X射线，其波长范围在0.1~30nm之间。除了自然界本身具有的以外，可以用高速电子流轰击原子中的内层电子而产生X射线，从X射线管发射出来。X射线由于波长短，具有很强的穿透能力，它透过各种物体的本领与组成物质的原子量有关。另外X射线还具有使胶片感光，使荧光屏发光的特殊能力。利用X射线的这些性质可透视人体内部的病变，可检查金属部件的内伤和分析物质的晶体结构，并留下可供查阅的照片。波长在1.0pm~0.1nm之间的电磁波被称为γ射线。γ射线是放射性原子衰变或用高能粒子与原子核碰撞时所发出的一种波长极短的电磁波。γ射线作为一种更具穿透力的放射线，常用于更高要求的金属探伤和对原子核结构的探测及研究。NanoPorousMaterialsGroup•2.3光传播的的一些基本现象•可见光是一种波长很短的电磁波，靠着电磁场在空间中传播，电磁场的传播具有波动性。应用光的电磁理论，能解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等与光的传播特性有关的现象。•2.3.1反射、全反射、折射•当光波照射在镜面上会发生反射，光在镜面上的反射接近于全反射。光波射在非镜面的介质界面上也会发生反射，但可能不是全反射，同时还会发生透射和折射等现象。这些物理现象均遵从界面波前匹配、相位相等的原则，并可推导出反射定律与折射定律。•光波射到镜面或介质界面上时，会有光波发生折回原介质中的方向转折过程，称为光的反射，如图2.2(a）所示，满足反射定律：•1)反射光位于入射光与界面法线所决定的平面内；•2)反射角θ1等于入射角θ/1，即•θ1=θ/1（2-3）NanoPorousMaterialsGroup•光波射在介质界面上时，一部分光波会被界面反射（遵从反射定律），另一部分光波则会进入界面。若进入界面后这部分光在前进的方向上发生改变，形成折射现象，如图2.2(b)所示，折射光线满足如下定律：•1)折射光线位于界面法线与入射光线所决定的平面内；•2）折射角满足•n1sinθ1=n2sinθ2(2.4)•当n1n2时，入射光的能量逐渐增大θ1角会反射，当θ1增加到θc时，如图2.2（c）所示，θ2=90º，其中θc满足•sinθc=n2/n1(2.5)•当θ1＞θc时，入射光的能量全部被诫界面反射回光密介质，这种现象称为全反射，如图2.2(d)所示。NanoPorousMaterialsGroup图2.2光的反射、全反射、折射现象NanoPorousMaterialsGroup•2.3.2偏振•在空间传播的电磁波，其电场矢量在某一特殊的平面内振动，就称这种电磁波为平面偏振波或线偏振波。许多实际的光束都是由许多个别的光波合成的，合成光波方向不断变化，大多数情况下这些个别光波的电场矢量取向都是任意的，因而光束是非偏振的。实际中的自然光，其光源包含各个方向上平均振幅相等的电场矢量。在自然光中的部分偏振光可以看成是偏振光和非偏振光的混合，用偏振度来描述。NanoPorousMaterialsGroup•由自然光得到偏振光的过程称为起偏，所用器件为起偏器，常见起偏方式有以下几种：•（1）基于晶体双折射原理的起偏，这是最有效的一种起偏方式，我们将在以后关于晶体光学与光调制的章节中加以详细讨论。•(2)布儒斯特（Brewster）角起偏，这是利用光在界面上的反射与吸收过程使自然光起偏，以获得偏振光的一种方式。如图2.3所示，当自然光入射到折射率分别为nl，n2的两种介质界面上时，若将入射光分为平行和垂直入射面的两部分振动，其反射光和折射光都变成了部分偏振光。介质表面对垂直和平行入射面的电场分量的反射率均是入射角θ1的函数，相互关系如图2.3(c)