1、光的波动性-干涉、衍射及偏振等特性。,频率相同振动方向相同相位相同具有固定相位差,相遇时，在相遇的区域内产生干涉现象。,当光波间,如图，点着酒精灯，在其火焰上洒一些食盐，使酒精灯便发出黄色的火焰。把带肥皂液薄膜的金属圈放在酒精灯旁适当的位置，使眼睛恰能看到由薄膜反射而生成的黄色火焰的虚像。当肥皂薄膜下垂到一定程度，就在虚像上出现了明暗相间的干涉条纹。,干涉条纹形成的原因：竖立的肥皂薄膜在重力作用下形成了上薄下厚的楔形。当酒精灯的火焰照射到薄膜上时，分别从膜的前表面和后表面反射的两列光波，它们频率相同，方向一致，能产生干涉。,不同单色光的薄膜干涉条纹,可见，波长越长，干涉条纹越宽,白光的薄膜干涉
2、条纹 彩色条纹,肥皂泡和水面上的油膜所呈现的美丽色彩。,光的波动性-光的衍射,两个主要特点， 光传播方向会变，经障碍物后会绕到其几何阴影区域中去；,在几何阴影区附近，波的强度会有起伏。,生活中，极少发现光绕到障碍物后面去的衍射现象,只有当障碍物的尺寸与波长相近时，衍射现象才较显著。,在空气中，无线电(10-103)米，可闻声波 (102-10)米，其衍射现象极为常见,而光波波长在可见光区是(0.4-0.7)微米，故其衍射现象少见。,自然光或非偏振光如果电场振动方向漫无规则，则该光为,光波的偏振特性,偏振光电场矢量具有一定的规则,振动面线偏振光的振动方向与传播方向构成的平面。,部分偏振光,园偏振
3、光,椭园偏振光,在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的。在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。,1.3-4 光的相干性,相干性问题，无线电波段中存在，由于无线电频率比较低，它们的相干性非常好。,对于光波来说，是电磁波，由于它的频率高，它们的相干性较差，因此在那些与相干性有关的应用中，必须讨论这个问题。,一、光的相干性,光的相干性就是指在不同空间点、不同时刻的光波场的某些特性(例如光波场的相位)之间的相关性。,时间相干 空间相干,光的相干有两种类型
4、,时间相干性,时间相干性是指同一空间点上，两个不同时刻光波场之间的相干性.,或者说是指沿着光传播方向，离光源不同距离的两点，在同一时刻光波场之间的相干性。,时间相干性的含义,从原理上，可以在光路上两点通过两个分束器取出部分光，考察信号间的相关效应。,两个信号相关，则可以由一点的光电场(振幅、相位)确定另一点的光电场(振幅、相位)。,或由空间一点某时刻的光电场确定另一时刻的光电场。,相干长度,tC=LC/C，为相干时间，光波在该相干时间内是时间相干的。 tC愈大，光的时间相干性愈好。,改变两镜间的距离时，干涉条纹将产生变化。当镜间距离增加到某一长度LC时，干涉效应消失，这个长度称为相干长度。光传
5、播速度c为常数，相应该长度有一个光的传播时间.,空间相干性,空间相干性是指在同一时刻、垂直于光传播方向上的两个不同空间点上的光波场之间的相干性。,如果两个信号相关，即可由一个空间点的光电场确定另一空间点的光电场。,双孔屏上存在着一个以O点为对称中心的面积AC，只要S1和S2在AC之外，就不产生干涉现象。AC叫做相干面积。AC愈大，光的空间相干性愈好。,空间相干性:光源理想点光源，屏上会看到清晰的干涉条纹。,若固定光源到双孔的距离R，改变两孔的间隔，则干涉效应变化，随孔间距离增大，干涉条纹逐渐模糊。,S1和S2处的场具有明显相干性的条件是 x,表明，光源愈小，则具有空间相干性的张角愈大。,式中是
6、两缝间距对光源的张角。,二、光源的相干性,光源分两类：普通光源(热光源)和激光光源光是由处于高激发态的原子(分子或离子)自发地跃迁到低能态时发射出来的。,其发射过程并非无限延续，间断地发射极短的光波列. 这些波列一般相隔很远(与每一个波列的持续时间相比)，在时间上是随机的。,某原子发出的一些波列之间没有恒定的相位关系，是不相干的，不能产生干涉现象。,一个长度有限的波列按傅里叶展开时，相当于在频带宽度内的一系列正弦波的叠加，波列的持续时间c与之间有如下的关系：,（c）（）1c相干时间。,光源发出的波列频带愈窄，单色性愈好，相干时间愈长，时间相干性愈好。,对于普通光源来说，它们产生波列的频带很宽，
7、单色性很差，时间相干性很差。,（c）（）1c相干时间。,对于普通光源从一个原子不同时刻发出的光波列间没有固定的相位关系外，处在激发态的各个原子之间彼此无关，不同原子所发出的光波之间，没有固定的相位关系。,在双孔干涉实验中，由于光源有一定的大小，所以不同地方受激原子发出的光是不相干的，导致干涉效应很差。,三、光子的相干性,利用光子的概念说明光的相干性。x它可写成(x)2 (/)2,该式的意义是：,如果要求传播方向限于立体角()2之内的光波是相干的。光源的面积 (x)2必须小于(/)2。因此，(/)2就是光源的相干面积。,可以证明:在相干体积内的光子具有相同的状态，即处于同一光子态；属于同一光子态
8、的光子是相干的。,把光源的相干面积作为底面，以相干长度为高。限定一个空间V。它被定义为相干体积，即V=ctc (x)2,利用针孔限制光源的有效尺寸或用滤光器限制其波长范围，以获得较好的相干性，光强非常弱。,综上所述 普通光源处于激发态的原子发射光的振幅、相位随着时间随机地起伏变化，其时间、空间相干性都很差。,激光器中受激原子的发光不是自发地、随机地进行，是受激发射，激光器作光源即可得到很好的干涉图形。,1.3-5 电磁波谱,进一步证实了X射线、射线等都是电磁波。,它们的频率(或波长)范围差别很大。按其频率(或波长) 次序排列成如图l1所示的谱称其为电磁波谱。,电磁波谱,光学区域(或光学频谱)包
9、括紫外线、可见光和红外线。,光的频率极高(1012Hz一1016Hz)，数字很大，通常用波长表征，光谱区域的波长范围约从10-7cm到lmm。 可见光是人眼可以看到的各种颜色光波，,红色，076m-063m； 橙色，063m-06m； 黄色，060m-057m； 绿色，057m-050m； 青色，050m-045m； 蓝色，045m-0.43m； 紫色，043m-040m 紫外线和红外线不能引起视觉。 红外线波段的波长范围是076mlmm (相应的频率范围是41014Hz-31011Hz)。,红外线在地球大气层中的传播特性不同，分为如下几个波段：,近红外波段 076m-3m； 中红外波段 3m
10、-6m； 远红外波段 6m-15m； 极远红外波段 15m-1000m。,近红外波段，076m-24m(相应于原子能级间跃迁)； 中红外波段，25m-25m(相应于分子振动一转动能级间的跃迁)； 远红外波段，25m以上(相应于分子转动能级间的跃迁)。,根据红外辐射产生的机理不同，可将红外线划分为：,所有电磁波，虽其产生方法及与物质间的相互作用各不相同，,但其本质相同，都遵守同样的反射、折射、干涉、衍射、偏振规律，在真空中的传播速度都为c29979108ms,将电磁波在真空中的传播速度与介质中的传播速度相比，得到传播介质的绝对折射率为,n=c/v= （rr）1/2,n=（r）1/2,n=c/v=
11、（rr）1/2,称为麦克斯韦关系。对于一般物质来说，或n都是频率的函数,式中r和r分别为介质的相对介电常数和相对导磁率。除了铁磁物质外，大多数物质的磁性都很弱，1，,1.3-6 光的能量及量度单位,一、光具有波、粒二重性随着光波的传播，光的能量向空间传播。单位时间通过垂直于传播方向的单位面积的电磁能量称为辐射强度矢量或波印亭矢量S，并且有S=EH,描述了光的电磁能量的传播特性。,由于光的频率高,S值变化极快，接收器不可能接收到S的瞬时值，只能接收S的平均值。对于平面光波来说，在一个周期内的平均值为,S=0TSdt/T=（/）-1/2E2/2,辐射强度的平均值称为光强度，即单位时间通过垂直光的传
12、播方向单位面积的能量，以I表示。,式中为介电系数，为导磁率。,另外，光电效应X射线的散射光作用下进行的化学反应等现象表明与光的波动理论相矛盾，,考虑光的微粒性，即光由光子所组成。每个光子的能量Ehv，光的频率不同，光子的能量也不同。 根据光的量子理论，光波传输的能量由许多单个光子组成的光子流的能量。,设频率为的光束的强度为I，光束的光子密度为n(单位体积内的光子数)，则 Inhc或nI/(hc)二、光子的动量和光压光子除具有能量Eh外，还具有动量P由相对论质能关系,和动量的表示式,式中是光的波长。,因为光子的静止质量m0=0，所以由上式可得,既然单个光子具有动量，光子流也具有动量，设光子流单位
13、体积内的能量为W，则与单位体积相对应的光子流的动量p为,当在真空中沿某一方向传输的光子流入射到物体表面时，部分光子流被吸收，光子流的动量发生改变，这表明物体受到一定的力的作用，垂直于物体单位面积的作用力就是作用在该物体上的光压P光压。,式中n是单位体积内的光子数。 动量p的方向指向光的传播方向。,P光压(1+R)W 考虑到WnhvI/c，所以P光压 (1+R)(I/c ),因为c很大,光压都很小，晴天直射的日光被完全吸收时，所产生的光压为每平方厘米04毫克，觉察它十分困难。,如果物体表面的反射系数为R1，可证明,历史上的原因，先对电磁辐射中的可见光的光通量、光强、亮度、照度等进行研究，描述人眼
14、对光的敏感程度。,三、光能量的量度单位,光度学量受主观视觉的限制，不是客观的物理量,在光电子学及其应用中，应采用不受人们主观视觉限制、建立在物理测量基础上的辐射度量学量。光度学量可视为辐射度量学量的特例。,（一）辐射功率又叫辐射通量,它是发射、传输或接收辐射能量的时间变化率。其定义,Q / t,由于辐射能量是波长、面积、立体角等因素的函数，用偏微商,单位是瓦式中Q是辐射能量。,基本辐射量,2辐射通量密度,(辐射通量密度)是描写面源辐射特性的量，是源的单位面积向半球空间发射的辐射功率,P / A,源面积发射不一定均匀，面上各点附近单位面积发射的功率也不一样，故M 通常是源上位置的函数。,式中A是
15、辐射源面积。单位是瓦米2,P是辐射通量,3辐射强度I,描写点源辐射的功率在空间不同方向上的分布,点源不是辐射源真实的物理尺寸大小 距地球遥远的星星，相对地面上的观察者所张的角度，可以看成一个点,观测距离比源本身的最大尺寸大10倍以上，观测装置是不带光学系统的简单探测器，可视为点源。,如采用光学系统，由探测器的尺寸和辐射源在探测器表面上的成象尺寸决定，若象比探测器小，则可将辐射源视为点源。,辐射强度是点源在单位立体角内发射的辐射功率，它是辐射功率在某个方向上角密度的量度,P / ,单位是瓦球面度。式中是点源所张的立体角。,描述扩展源辐射功率在空间和源表面上的分布情况而引入的量。,4辐射亮度,扩展
16、源是指尺寸很大的辐射源。,实际上同一个辐射源既可以看作点源，又可以看作扩展源。,喷气式飞机的尾喷口，在1公里以上观察时可以看作一个点源，而在三米内观察时为一扩展源。,当采用光学系统观测时，光辐射源的象比探测器大或者说辐射源充满光学系统的视场则该辐射源叫做扩展源。,扩展源在某个方向上的辐射亮度是它在该方向上的单位表观面积向单位立体角内发射的辐射功率。,在扩展源表面上某点附近的一个小面积元dA向半球空间 (2球面度)发射的辐射功率为dP，该面积元向与面积元法线夹角为的方向上发射辐射时，,在方向上看到面积元dA的表观面积为dAcos，dA向方向 d立体角内发射的辐射功率被看作是由源的表观面积元dAc
17、os发出的辐射功率，表示为,2P / A cos,单位是瓦米2球面度,5辐照度E,以上都是描述辐射源发射特性的量。受照表面接收辐射功率引入辐射照度,假设辐射源投射到被照表面某点附近小面积dA上的辐射功率为dP，则被照表面该点的辐照度E为,P / A,其意义表示投射被照面上单位面积上的辐射功率，虽然它与辐出度的单位相同，但两者的物理意义不同。,单位为瓦米2,辐出度和辐照度区别,辐出度是源向整个半球空间发射的辐射功率。,辐照度是入射到被照表面上的辐射功率密度，(一个或几个源的辐射功率。),辐照度E 除与被照面上的位置有关外，还与辐射源的特性及被照明面与源的相对位置有关。,上面辐射量只考虑了辐射功率
18、的空间分布特性。,任何一个辐射源发出的辐射或投射到一个表面上的辐射功率。 都有定的频率分布特征(即光谱特征)，,由光谱辐射功率的意义。在波长为到+d的波长间隔内的辐射功率为,dPPd,若d足够小，式中dP可称为波长为的单色辐射功率，用dP表示。在有限波长范围其定义为,12Pd如果1=0，2= 称为全辐射功率。,(二) 基本光度学量,光度学涉及能引起视觉响应的那部分辐射场。,在研究方法上和概念上基本相同。,辐射度量学量度的是电磁辐射场的能量，而光度学量是光场产生的视觉响应。,光通量相应于辐射度量学中的辐射通量单位是流明。,选择555nm的波长，人眼白昼视觉在这个波长上最灵敏。,其定义如下：定义波
19、长为555nm的单色辐射功率为00015瓦的光通量为一流明。,光通量用P，由它出发，按与辐射度量学同样定义方法，可定义出光度学中的其它量，如,光出射度M,光强度I,光亮度L 光照度E,光出射度M： P / A 流明米2(勒克司),光强度I： P / 流明球面度(坎德拉),光亮度L： 2P / A cos 流明/米2球面度(尼特),光照度E： P / A 流明米2(勒克司),在这里，我们选用的符号与辐射量相同，只是在右下方加了一个脚标。,相应的定义式和单位分别为,几种辐射源产生的照度,几种辐射源的亮度,基本辐射量与光度学量对照表,作业,1.红外光波、可见光波、紫外光、X-射线、射线的波长范围？相应的频率范围？ 2.辐射通量密度、辐射强度、辐射亮度、辐射照度？ 3.激光光源与普通光源的主要差别? 4.光的空间、时间相干性? 它们的物理意义? 5.光的相干性能好、差程度分别用什么量衡量?,
