《光学》课程教学电子教案第一章光波、光线与光子(145P).ppt

光学 教案,赵建林 编著,第1章 光波、光线与光子,普通高等教育“十五”国家级规划教材,高等教育出版社,高等教育出版社,高等教育电子音像出版社,1 光波、光线与光子,主要内容,1.1 光的波动性质,1.2 光线与光传播的几何描述,1.3 自然光与偏振光,1.4 光辐射与光度学,1.5 光波场的量子性,1.6 光的波粒二象性,1 光波、光线与光子,1.1 光的波动性质,1. 波动的实质,2. 波动的基本特征量,3. 波动的描述,4. 纵波与横波,5. 光的波动性,6. 光波的电磁性质,1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,主要内容,波动：振动状态在空间的传播。,波动的实质：能量以振动的方式在空间传播，使空间各点的物理状态呈现空间和时间上的周期性分布，但承担传播任务的物质本身并不随波移动。,结论：具有时空双重周期性运动形式和能量的传输，是一切波动的基本特性。不具备这种特性的事物，不能成为严格意义下的波动。,1 光波、光线与光子,1.1.1 波动的实质,波动产生的条件：存在一个能够由于外界的某种能量供给而产生（机械的或电磁的）振动的波源。,1.1 光的波动性质,振幅a(p)、相位f (p)、速度v；,周期（时间周期）t、频率（时间频率）n（或圆频率w）；,波长（空间周期）l、（角）波数k （或空间圆频率）。,各量间相互关系：,注意：, 波动的传播速度有相速度和群速度之分。,基本特征量：, 波动的频率（或时间周期）仅仅与振源有关，而波长（即空间周期）不仅与振源的振动频率有关，而且与介质有关。,1 光波、光线与光子,1.1.2 波动的基本特征量,1.1 光的波动性质,波面：波场中振动相位相同的点的轨迹,(1) 波面与波线,波线：表示波动能量传播的几何径迹,特征：一般波面表现为空间三维曲面族,各向同性介质中，波线为与波面处处正交的三维曲线族；,各向异性介质中，波线一般不与波面正交。,(2) 平面波、球面波与柱面波,平面波波面为平面，球面波波面为球面，柱面波波面为圆柱面。,1 光波、光线与光子,1.1.3 波动的描述,1.1 光的波动性质,平面波对应于无限远处理想点源发出的波；,球面波对应于有限远处理想点源发出的波；,柱面波对应无限长线波源发出的波；,平面波是波面曲率半径趋于无限大时的球面波或柱面波。,讨论球面波和平面波问题具有普遍意义；,任何一个波源，都可以看成是由若干点波源组成的集合；,构成任何复杂波面的基元是球面波或平面波。,说明：,特征：,1.1 光波与光的电磁性质,1 光波、光线与光子,1.1.3 波动的描述,(4) 定态波场,定态波场满足下列两个条件的波场：, 空间各点的扰动为与波源同频率的简谐振动；, 空间各点扰动的振幅形成稳定的空间分布而不随时间变化。,说明：理想的定态波场为无源场（简谐波场），在时间上无始无终；,实际波源发出的波场并不是严格意义上的定态波场，当波源发出的波列的持续时间远大于波的振动周期时，才可以将其近似看作定态波场。,标量波：空间各点的扰动不具有方向性的波场，如密度波、温度波等；,矢量波：空间各点的扰动具有方向性的波场，如电磁波、水波等；,说明：,一般情况下，矢量波要用矢量场理论描述；当矢量波场中各点的扰动具有同一方向时，可将其简化为标量波处理。,1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.1.3 波动的描述,(3) 标量波与矢量波,波函数：,表征波场的物理（振动）状态，是空间和时间的周期性函数。, 任意简谐波的波函数,振源处：,或,场点处：,或,相位延迟：,(1.1-1),(1.1-2),(1.1-3),(1.1-4),1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.1.3 波动的描述,(5) 波函数与空间频率,f0：源点处初相位；f (p) ：场点处初相位； f (p) ：场点处相位延迟。,波函数：,相位延迟：,(1.1-5),(1.1-6),r：场点的位置矢量 k：波矢量，方向代表波面法线方向，大小等于（角）波数k。,取：k的坐标分量为kx、ky、kz，方向余弦为cosa、cosb、cosg ，,f=k/2p 及其坐标分量 fx、fy、fz,得：,(1.1-7),(1.1-8),(1.1-9),(1.1-10),1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.1.3 波动的描述, 定态波场的波函数,f 的意义：空间频率矢量，其方向代表波动的传播方向。,说明：波长相同但传播方向不同的波，其空间频率矢量不同。波矢量k实际上就是空间圆频率矢量，相应的（角）波数k就是空间圆频率。,平面波波函数：,(1.1-11),(1.1-12),a(p)=a0=常数,1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.1.3 波动的描述,o,例：真空中一列波长为l，振幅为a0的平面光波，其波矢方向在xz平面内，且与z轴相交q角，求该平面光波在x, y, z方向的空间频率、波数（空间圆频率）、空间周期，以及波函数的复数和实数表达式。,解：如图所示，按照题意，该平面波在x，y，z方向的方向余弦分别为：,在三个方向上的空间频率、波数（空间圆频率）和周期分别为：,1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.1.6 光波的电磁性质,(1.1-14),(1.1-15),(1.1-16),(1.1-13),对于定态光波，可得其复数和实数波函数表达式分别为：,设光波的初相位为f0，可得出该平面波波函数复数和实数表达式为：,1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.1.6 光波的电磁性质,(1.1-17),(1.1-18),(1.1-19),(1.1-20),平面波特点：波矢量方向确定，空间频率矢量确定；任一方向的平面波代表波动的一个确定的空间频率成分；不同方向的平面波对应不同的空间频率成分。,发散球面波波函数：,(1.1-21),会聚球面波波函数：,(1.1-22),(1.1-23),(1.1-24),(1.1-25),发散柱面波波函数：,(1.1-26),会聚柱面波波函数：,(1.1-27),结论：平面波可以看成是构成空间任何复杂波动的基元波。,(6) 波的强度,(1.1-28),1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.1.3 波动的描述,(1) 纵波及其特点,振动方向与传播方向相同，振动状态相对于传播方向具有轴对称性。,(2) 横波及其特点,振动方向与传播方向正交，振动状态相对于传播方向不具有轴对称性。,(3) 偏振,振动状态相对于传播方向的不对称现象。,1 光波、光线与光子,1.1.4 纵波与横波,1.1 光的波动性质,光具有波动的一切特征：如频率、波长、速度、振幅、相位等，且能在真空中传播。,1.1.6 光波的电磁性质, 光波和电磁波都可以在真空中传播，且传播速度与电磁波相同；, 介质对光波以及电磁波的折射特性同样起因于介质的介电性质；, 光波具有偏振性质，是一种横波，而电磁波的电场强度矢量及磁场强度矢量均正交于传播方向，表明电磁波也是一种横波，具有偏振性质；, 用电磁场理论对光的各种偏振现象所作的理论解释均与实验观察结果相符合。,1 光波、光线与光子,1.1.5 光的波动性,1.1 光的波动性质,(2) 光波场的传播速度与折射率,真空中的光速：,(1.1-29),介质中的光速：,(1.1-30),式中：e0：电磁场在真空中的介电常数； m0：电磁场在真空中的磁导率；er：介质中的相对介电常数；mr：介质中的相对磁导率，对于非铁磁介质，mr1；n：介质相对于真空的折射率。,(1) 光波场的描述,在标量场近似下，光波场的波函数就是光矢量的复振幅，单色光波即简谐波。,对眼睛及其他光探测器有视觉反应的，主要是光波的电场强度矢量e，故光波场的振动状态一般可由其电矢量表示，简称为光波电矢量或光矢量。,1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.1.6 光波的电磁性质,光波场的能流密度矢量s：,(1.1-31),意义：光波场单位时间流过空间某一方向单位面积的光能量大小 。,瞬时值的大小：,(1.1-32),(4) 光强度,光探测器的响应时间t t (光振动周期),光探测器接收到的光信号=在许多周期内的平均值，,通常的光强度：单位面积上的平均光功率或平均能流密度。,简谐波的光强度：,(1.1-33),1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.1.6 光波的电磁性质,(3) 光的能流密度,说明：, 光强度正比于光波电矢量振幅的平方；, 在大多数情况下，通常只关心光强的相对分布，故在同一种介质中考察光强度分布时，通常用电矢量振幅平方表示（相对）光强度：,(1.1-34),注意： 因此，当光波在两种介质中振幅相等时，其强度比并不等于1，而是等于两种介质的折射率之比。即,(1.1-35),比较不同介质中光强度大小时必须考虑光场所处介质折射率的因素。强度表达式中折射率的出现，反映了光在不同介质中的传播速度不同，因而在相同时间内通过单位面积的平均能流大小不同。,1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.1.6 光波的电磁性质,1. 波动的时空双重周期特性,2. 波动的基本特征量及其相互关系,3. 平面波、球面波的特点及波函数的描述,4. 波矢量与空间频率矢量的基本概念及其联系,5. 纵波与横波的区别,6. 光波的能流密度及光强度的定义,1 光波、光线与光子,本节重点,1.1 光的波动性质,1 光波、光线与光子,1.2 光线与光传播的几何描述,主要内容,1. 光传播的直线性、独立性和可逆性,2. 反射和折射定律,3. 全反射原理,4. 光纤的基本结构特性,5. 棱镜及其应用,6. 光程与费马原理,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,均匀介质中， 光沿直线路径传播。,弱光及线性条件下，自不同方向或由不同物体发出的光线在空间相交后，并不影响各自光线按原路径独立传播。,在弱光及线性条件下，当光的传播方向逆转时，光线将沿着原行进路径逆向传播。, 直线传播定律：, 独立传播定律：, 光路可逆性原理：,光线：空间的几何线。各向同性介质中，光线即波面法线。,1 光波、光线与光子,1.2.1 光传播的直线性、独立性和可逆性,1.2 光线与光传播的几何描述,即, 反射光线、折射光线与入射光线均位于同一平面入射面内；, 反射角与入射角相等；, 入射角的正弦与折射角的正弦之比，对于给定介质及光波长，是一个常数。,(1.2-1),(1.2-2),1 光波、光线与光子,1.2.2 反射和折射定律,1.2 光线与光传播的几何描述,及,说明：, 折射定律又称为斯涅耳定律；, 若令折射定律中n2 = n1，则可得反射定律：, 确定反射光线与折射光线方向的几何作图法(见下)：,(1.2-3),1.2.2 反射和折射定律,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,梯度折射率介质：折射率随位置不同连续变化的介质,特点：梯度折射率介质中光线的几何轨迹一般为曲线,海市蜃楼：,沙漠中,海面上,1.2.2 反射和折射定律,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子, 光线在梯度折射率介质中的弯曲,全反射：当入射角i1增大到某一值ic时，折射角i2=90o。继续增大入射角，则光线不再进入介质2，而是按反射定律确定的方向全部反射。,全反射临界角：,(1.2-4),(1.2-5),i2=90o,全反射的条件：,1 光波、光线与光子,1.2.3 全反射原理,1.2 光线与光传播的几何描述,例：水（n=4/3）空气（n=1）：ic=48.59o 玻璃（n=1.5）空气（n=1）：ic=41.81o,全反射的应用：,1.2.3 全反射原理,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子, 增大视场角,浦耳弗里许（pulfrich）折射计：a=90o 阿贝（abbe）折射计：a=45o,(1.2-6),测量范围：nng,1.2.3 全反射原理,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子, 测定透明介质的折射率折射极限法,(1.2-7),(1.2-8),已知厚度h，测量折射率：,已知折射率n，测量厚度：,1.2.3 全反射原理,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,光纤：能够导光的圆柱型玻璃或塑料纤维 几何结构：一般由纤芯和包层两部分构成,(1) 光纤的几何结构,1.2.4 光纤的基本结构特性,1 光波、光线与光子,1.2 光线与光传播的几何描述, 按传输特性分：单模光纤，多模光纤。, 按纤芯介质分：均匀光纤，非均匀光纤。,说明：单模光纤中各层介质折射率均匀分布，多模光纤各层介质折射率可以是均匀分布（阶跃型），也可以是纤芯介质折射率呈渐变分布（梯度折射率型）。,图1.2-12 三种主要光纤类型的折射率分布及传光特性,b 阶跃型多模光纤,c 梯度折射率型光纤,n,a 阶跃型单模光纤,(2) 光纤分类,1.2.4 光纤的基本结构特性,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,子午光线：始终位于过光纤轴线的子午面内的光线,弧矢光线：不过子午面，且呈螺旋形的光线,传光条件：光线在纤芯与包层分界面处的入射角为i1应满足全反射条件：,(1.2-10),阶跃型光纤的最大孔径角：,(1.2-9),(3) 光纤的传光条件,1.2.4 光纤的基本结构特性,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,光纤的主要用途：传输光能量或光信号。,光纤的数值孔径： n0sin i0,意义：允许进入纤芯且能够稳定传输的光线的最大入射角范围。,(1.2-11),阶跃型光纤的数值孔径：,传输光信息时，光纤具有信息量大、抗干扰及保密性强等优点，既可以传输时间序列信号，也可以传输图像。梯度折射率型光纤还有模式间色散小、光能不易损失等优点。,传输光能量时，光纤具有数值孔径大、可以弯曲且结构简单等优点；,(4) 光纤的数值孔径,1.2.4 光纤的基本结构特性,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,光纤的应用,1.2.4 光纤的基本结构特性,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,光纤面板,锥形光纤面板,光子晶体光纤,棱镜的主要作用：改变光束方向使光束产生色散或转向。,棱镜：由两个或两个以上不平行的折射平面围成的均匀透明介质元件。,最常用的棱镜三棱镜：由三个不平形的折射面构成，主截面（即与棱边垂直的平面）呈三角形。,1.2.5 棱镜及其应用,1 光波、光线与光子,1.2 光线与光传播的几何描述,1.2.5 棱镜及其应用,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,原理：玻璃材料的色散特性和折射定律。,三棱镜的色散性： 主截面dabc，底边bc，入射角i1，出射角i1，偏向角d，棱镜顶角a。,(1) 色散棱镜,1.2.5 棱镜及其应用,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,结论：,当 i1=i1，或 i2=i2时，d 最小，称为最小偏向角dmin:,当 a 很小时，棱镜变为光楔，,当a =0时，棱镜变为平行平板，,dmin=0,(1.2-14),(1.2-13),(1.2-15),(1.2-16),d与a、n及入射角i1有关。当a和n给定时，d仅取决于i1：,1.2.5 棱镜及其应用,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,当a 和i1给定时，d 仅取决于棱镜的折射率n：,结论：折射率越大，最小偏向角越大。波长越短，折射率越大。因此，一束太阳光通过三棱镜时，透射光将按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序依次展开成彩虹状，其中紫光的偏向角最大，红光的偏向角最小棱镜光谱仪原理。,(1.2-17),1.2.5 棱镜及其应用,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,全反射棱镜优点：光束虽经棱镜的一个或几个表面发生全内反射，但能量并不损失。,图1.2-19 转向棱镜的应用,转向原理：全反射原理,(2) 转向棱镜,1.2.5 棱镜及其应用,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子, 薄膜波导及波导光耦合, 光探针光子隧道扫描显微镜, 指纹获取, 光开关,全反射棱镜应用：,1.2.5 棱镜及其应用,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,物质运动的趋势：达到一种平衡状态或极值状态,光线从q点传播到p点所需的总时间：,(1.2-18),(1.2-19),1.2.6 光程与费马原理,1 光波、光线与光子,1.2 光线与光传播的几何描述,费马原理：在所有可能的光传播路径中，实际路径所需的时间取极值。,光程：光以相同的时间在真空中走过的路径长度。,用光程概念表述费马原理： 在所有可能的光传播路径中，实际路径所对应的光程取极值。,(1.2-22),(1.2-20),(1.2-21),1.2.6 光程与费马原理,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子, 内椭球面的反射： 椭球面上任一点到两个焦点连线的角平分线即过该点的面法线，且两线段长度之和相等。,说明：费马原理是光线光学的理论基础。, 直线传播定律：两点间的所有可能连线中，线段最短光程取极小值。,1.2.6 光程与费马原理,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,(a) 椭球内表面反射自一焦点发出的光光程为常数,(c) 与椭球内表面相切的凸面镜反射自一焦点发出的光光程取极小值,(b) 与椭球内表面相切的凹面镜反射自一焦点发出的光光程取极大值,反射定律：,1.2.6 光程与费马原理,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,lqmp=n1(qm+mp) lqmp=n1(qm+mp),qmp qmp, 反射定律与折射定律：,1.2 光线与光传播的几何描述,1 光波、光线与光子,本节重点,7. 光程的基本概念,1. 光传播的直线定律、独立传播定律和可逆性原理的使用条件,2. 反射和折射定律的使用条件,3. 全反射发生的条件、全反射原理及其应用,4. 光纤的传光原理、数值孔径,5. 色散棱镜的分光原理、最小偏向角,6. 转向棱镜的原理、特点及应用,1 光波、光线与光子,1.3 自然光与偏振光,主要内容,2. 自然光,1. 完全偏振光,3. 部分偏振光,4. 自然光在两种电介质分界面上的反射和折射 菲涅耳公式,5. 斯托克斯倒易关系,6. 布儒斯特定律,7. 马吕斯定律,8. 反射光与透射光的半波损失（相位突变）,9. 反射光与透射光的能量分配,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,偏振态：光矢量在垂直于传播方向的平面内可能存在的不同振动状态,偏振面（振动面）：振动方向（光矢量方向）与光传播方向构成的平面,偏振态分类：完全偏振（线偏振、圆偏振、椭圆偏振），非偏振，部分偏振,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,定 义,特点：光振动限于某一确定的平面内，光矢量在垂直于传播方向的平面内的投影为一直线,说明：线偏振光也可看作是振动方向正交、相位相同或相反的两个线偏振光的合成,(1) 平面偏振光（线偏振光）,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,1.3.1 完全偏振光,(2) 圆偏振光,特点：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w 旋转，其光矢量末端的轨迹位于一个圆形螺线上，并且在垂直于传播方向的平面上的投影构成一个圆。,左旋圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿逆时针旋转。 右旋圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿顺时针旋转。,1.3.1 完全偏振光,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,(3) 椭圆偏振光,特点：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w旋转，其光矢量末端的轨迹位于一个椭圆形螺线上，并且在垂直于传播方向的平面上的投影构成一个椭圆。,左旋椭圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿逆时针旋转。,右旋椭圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿顺时针旋转。,1.3.1 完全偏振光,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子, 线偏振光和圆偏振光只是椭圆偏振光的两种特殊形式。若两个正交振动的振幅相等，相位差等于p/2的奇数倍，则椭圆偏振光变为圆偏振光；若两个正交振动的相位差等于p 的整数倍，则椭圆偏振光变为线偏振光。,说明：, 椭圆偏振光可以看作是振幅不相等、振动方向正交、相位差恒定的两个同频率线偏振光的合成。其中正号对应右旋，负号对应左旋。, 圆偏振光可以看作是振幅相等、振动方向正交、相位相差p/2的两个同频率线偏振光的合成。其中正号对应右旋，负号对应左旋。,1.3.1 完全偏振光,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,任一原子或分子的任一次辐射波列都具有恒定的振动方向一列振动面确定的线偏振光,时间分布的均匀性表明各个光矢量的初相位取0到2p之间的任意值,空间分布的均匀性表明光矢量的偏振面包含各种方向且各个方向的平均大小相同,光源的发光机制：,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,1.3.2 自然光(完全非偏振光),自然光：偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集合,说明：自然光实际上可分解成两个强度相等、振动方向正交但相位各自随机变化的线偏振光,注意：构成自然光的两个线偏振光分量的相位各自独立地随机变化，因此不能再合成为一个单一矢量,1.3.2 自然光(完全非偏振光),1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,特点：光振动强度沿两个正交方向的时间平均值不相等，并且在某一方向取极大值imax时，其正交方向正好取极小值imin,p=0：自然光 p=1：线偏振光 0p1：部分偏振光,偏振度：,(1.3-1),构成部分偏振光的两正交振动的相位却各自随机变化,说明：,自然光是部分偏振光的特殊表现形式,构成椭圆偏振光的两个正交振动有恒定的相位差,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,1.3.3 部分偏振光,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,入射自然光的分解：p分量：偏振面/入射面；s分量：偏振面入射面,1.3.4 自然光在两种电介质分界面上的反射和折射 菲涅耳公式,菲涅耳公式,1.3.4 菲涅耳公式,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,说明：, s分量和p分量分别独立地按照各自的规律反射和折射，其振幅反射比和振幅透射比仅取决于光束的入射角和两种介质的折射率，并且一般不相等反射光和透射光的两个正交偏振分量的振幅一般不相等。, |e1s|e1p|； |e2s|e2p|。, 自然光入射时，反射光和透射光均为部分偏振光。, 圆偏振光入射时，反射光和透射光均为椭圆偏振光。, 线偏振光入射时，反射光和透射光仍为线偏振光，但振动面相对于原入射光有一定偏转。,1.3.4 菲涅耳公式,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,定义：外反射：自然光以入射角i1由介质1进入介质2时的反射 内反射：自然光以入射角i2由介质2进入介质1时的反射,取：振幅外反射比：rs、rp， 振幅外透射比：ts、tp 振幅内反射比：rs、rp，振幅内透射比：ts、tp,托克斯倒易关系：,(1.3-3b),(1.3-3a),1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,1.3.5 斯托克斯倒易关系,斯托克斯倒易关系的证明：,由能量守恒定律得：,无论是s分量还是p分量，其内反射与外反射的振幅反射比大小相等，符号相反，相应的振幅透射比（ts与ts，tp与tp）总是符号相同。,结论：,1.3.5 斯托克斯倒易关系,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,布儒斯特角：折射光线与反射光线方向正交时的入射角ib,布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角ib时，反射光只存在偏振面垂直于入射面的偏振分量（即s分量）,(1.3-4),若n1=1，则,数学表示：,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,1.3.6 布儒斯特定律, 自然光以布儒斯特角入射时，反射光为振动面垂直于入射面（s分量）的线偏振光，透射光变为部分偏振光。,说 明：, 线偏振光以布儒斯特角入射时，若其振动面与入射面垂直，则反射光和透射光均为振动面垂直于入射面的线偏振光；若入射光振动面与入射面平行，则反射光强度为0，即全部透射。, 圆偏振光以布儒斯特角入射时，反射光仍为振动面垂直于入射面（s分量）的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光。,1.3.6 布儒斯特定律,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,玻片堆特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。,玻片堆的应用：起偏器，检偏器，偏振分束器，偏振激光器等。,1.3.6 布儒斯特定律,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,忽略玻璃吸收,表述：透过检偏器（如玻片堆）的线偏振光的强度正比于光的偏振方向与检偏器的起偏方向间夹角的余弦平方,(1.3-5),1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,1.3.7 马吕斯定律,应用：光调制,结论：, 自然光自疏（快）介质向密（慢）介质正入射或掠入射时，反射光相对入射光存在半波损失（p 相位突变），反之不存在。, 斜入射情况下，反射光相对入射光的相位变化一般较为复杂，但经同一分界面的内、外反射所得两束反射光之间一定存在半波损失。, 透射光在任何情况下都不存在半波损失。,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,1.3.8 反射光与透射光的半波损失（相位突变）, 强度反射率和强度透射率,强度反射率：,强度透射率：,问题：当i1，i20时，,(1.3-6),(1.3-7),1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,1.3.9 反射光与透射光的能量分配,问题的起因：光在不同介质中的传播速度不同，导致斜入射时透射光束的横截面与入射光束不同，而强度表示单位面积上的平均能流密度，并不是总的能流，故有可能不满足守恒定律。,1.3.9 反射光与透射光的能量分配,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子, 光能流反射率和透射率,以s表示光束的横截面积，则光束的总能流w=is。 对于反射光，s =s，故有,对于透射光，s =(cosi2/cosi1)s，故有,(1.3-9),能量守恒定律：,(1.3-10),1.3.9 反射光与透射光的能量分配,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,1.3.9 反射光与透射光的能量分配,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,1.3 自然光与偏振光,1 光波、光线与光子,本节重点,1. 平面偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光、部分偏振光的特点及区别,2. 垂直入射时的振幅反射比和振幅透射比、强度反射率与能流反射率,3. 斯托克斯倒易关系,4. 布儒斯特定律及其应用,5. 马吕斯定律及其应用,6. 反射时发生半波损（相位突变）的条件,1 光波、光线与光子,1.4 光辐射与光度学,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,主要内容,1. 光源与光辐射,2. 辐射度学与光度学,3. 辐射能通量与光通量,4. 发光强度与光亮度,5. 光照度,6. 色度与三基（原）色,7. 光度学基本量的单位,(1) 光源（发光的客体）,按获得方式：天然光源、人造光源 按光谱成份：单色光源、复色光源、白光光源 按相干性：相干光源、非相干光源 按几何线度：点光源、扩展光源（线光源、面光源）,(2) 光辐射（发光过程）,热辐射（温度辐射）：具有一定温度的物体所产生的一种自发辐射 非热辐射：场致发光、荧光、磷光、化学发光、生物发光等发光过程,光源的种类：,说明：热辐射具有普遍性，但实际发光过程可能是多种发光过程的并存,光辐射分类：,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.1 光源与光辐射,(3) 光波场的光谱范围,电磁辐射的波长范围：10-2纳米（nm）公里（km）,红外线：近（0.76 1微米）、中（1 10微米）、远（10微米）,光辐射的波长范围：亚纳米级的x射线微米级的远红外辐射，其中：,x射线：亚纳米纳米,紫外线：近（200400纳米）、远（5 200纳米）,可见光：400 760纳米,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.1 光源与光辐射,(4) 光辐射的光谱类型,光谱：非单色光的波长（频率）分布 线状光谱：由分立波长（频率）成分组成 连续光谱：由连续波长（频率）成分组成,单色光：只有单一波长成分的光 非单色光：具有多种波长成分的光 复色光：由几种单色光成分构成的非单色光 白 光：由各种可见光波长成分构成的非单色光,说明：热辐射光谱连续光谱 原子光谱或气体放电光谱线状光谱,线状光谱的特点：每个波长成分反映了发光成分的一条特征谱线,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.1 光源与光辐射,连续光谱与线状光谱,准单色光：实际中并不存在理想的单色光，通常所谓的单色光，只是当谱线宽度dl（dn）很小时的窄带光。,谱线宽度：每条谱线的强度分布具有一定的波长（频率）范围dl（dn），dl越小，表示光的单色性越好。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.1 光源与光辐射,光度学：研究可见光辐射强弱的学科辐射度学的一部分,光度学的研究基于两个基本假设：, 光：沿光线方向进行的能量流，遵守能量守恒定律，即光束在单位时间内通过任一截面的能量为常数, 光源：既可以是一个实际的发光体，也可以是光源自身的像或者是一个自身并不发光，但被另一光源照明的物体表面,辐射度学：研究各种电磁辐射强弱的学科,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.2 辐射度学与光度学,(1) 辐射能通量y,定义：单位时间内由给定面元ds发出或通过一定面元ds接收的所有波长成分的总辐射能量。,实质：通过面元ds的所有波长成分的总 辐射功率。,单位： w（瓦特）或j/s（焦耳每秒）,说明：不同光源或同一光源不同部位处在相同时间内辐射的光能量可能有所不同，其定量表示即辐射能通量。,(2) 辐射能通量谱密度 (),定义：单位时间内由给定面元ds发出或通过一定面元ds接收的位于波长l 附近单位波长间隔内的辐射能量。表示为y (l)。,实质：通过面元ds且波长为l的单色辐射功率，辐射能通量按波长的分布函数，或单色辐射能通量。,单位： w/m（瓦特每米）或j/(sm)（焦耳每秒米）,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.3 辐射能通量与光通量, 任一辐射源的辐射能通量中，不同波长成分的辐射所占比重有可能不同。因此，总的辐射能通量应是所有波长成分辐射能通量的叠加，即y 与y(l)满足关系：, 辐射能通量相等，但波长不同的光，可能引起同一探测器不同的感觉强度。而波长及辐射能通量大小不同的光，却有可能引起同一探测器相同的感觉强度。,说明：,(1.4-1), 辐射能通量仅仅反映了光源发出的客观光能量的大小，并未反映出这些光能量所能引起人的眼睛或其它光探测器的主观感觉强度的大小。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.3 辐射能通量与光通量,(3) 视见函数v(),光探测器的光谱响应灵敏度：光探测器对不同波长光辐射的感觉灵敏度。,正常人眼的视觉特点：对黄绿光最敏感，对红光和紫光的感觉灵敏度较弱，而对紫外线和红外线则无视觉反应。,视觉灵敏度：人眼对不同波长光辐射的感觉灵敏度。,意义：在引起相同大小视觉强度的条件下，若所需某一波长单色光辐射能通量越少，则表明眼睛对该色光的视觉灵敏度越高。,结论：使不同色光能够引起眼睛具有相同视觉强度所需的辐射能通量反比于眼睛对该色光的视觉灵敏度。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.3 辐射能通量与光通量,视见函数：人眼视觉灵敏度的定量表征函数，定义为,(1.4-2),l0 ：对应人眼视觉灵敏度最高的色光波长。 yl、yl0：波长为l 、l0 的色光引起眼睛具有相同视觉强度所需要的辐射能通量。,(1.4-3b), 适光性视见函数和适暗性（微光）视见函数 明亮环境中： l0=555nm，黄绿光；黑暗环境中：l0=505nm，蓝绿光。,适光性视见函数：,(1.4-3a),适暗性（微光）视见函数：,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.3 辐射能通量与光通量,表1.4-1 标准适光性视见函数值,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.3 辐射能通量与光通量, 归一化视见函数曲线：yl0=1时的视见函数曲线,说明：暗环境中，人眼视见函数的极大值向短波方向移动。除眼睛外，其它光探测器，如硅光电池、光电二极管、光电倍增管、感光乳剂等，也同样具有相应的光谱响应曲线，表征了相应光探测器的感光灵敏度。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.3 辐射能通量与光通量,(4) 光通量f,定义：光源发出的客观辐射通量所能引起人眼的主观视觉强度,意义：表征光源发出的客观辐射能通量所能引起人眼的主观视觉强度大小,单位： lm（流明）,数学表示：设dyl为波长l 处dl 间隔的辐射能通量，则相应波长范围的光通量dfl：,(1.4-4),总光通量：,(1.4-5),1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.3 辐射能通量与光通量,表1.4-2 几种常用光源的发光效率,最大光功当量km：1w波长为555nm的单色辐射能通量所能引起的光通量。 km=683lm/w（实验测定值）,发光效率/(lmw-1）,最小光功当量km：能够产生1lm光通量所需的555nm波长的单色辐射通量。 km=0.00146w/lm（实验测定值）,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.3 辐射能通量与光通量,发光效率：对于一般电光源，每瓦电功率所能产生的光通量数。,(1) 点光源的发光强度i,点光源：理想光源，其几何线度远小于光源到观察点之距离，因而可以忽略。,发光强度：点光源向空间一定方向单位立体角内辐射的光通量。,(1.4-6),发光强度的单位：,坎德拉（cd），也可以表示为：lm/sr（球面度），且有1cd=1lm/sr。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.4 发光强度与光亮度, 点光源向空间某一立体角元dw 内辐射的光通量df 正比于该立体角元的大小，其比例系数即该点光源的发光强度。,说明：, 根据发光强度的定义，点光源向整个空间辐射的总光通量可表示为,(1.4-7),若i与方向有关，即i=i(q, f)，则,若i与方向无关，即i=常数，则,(1.4-8),(1.4-9),1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.4 发光强度与光亮度,(2) 面光源的光亮度b,面光源（扩展光源）：具有一定空间发光面积，且在观察区域内其几何线度不可忽略。,光亮度：单位面积的光源表面向法线方向单位立体角内辐射的光通量。,光亮度的意义：光源上给定元面积ds，向空间与该面元法线夹角为q 的r方向上的立体角元dw内辐射的光通量df，正比于该立体角元dw和面元ds在r方向的投影dscosq，其比例系数b定义为扩展光源的光亮度,(1.4-10),光亮度的单位：lm/(m2sr)（流明每平方米球面度），或lm/(cm2sr)（流明每平方厘米球面度）即sb（熙提）。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.4 发光强度与光亮度,说 明：,(1.4-11), 发光强度和光亮度均针对可见光而言，并带有探测器的主观因素。在辐射度学中，只要将光通量以辐射能通量代替，流明以瓦特代替，则发光强度即辐射强度，光亮度即辐射亮度。辐射强度和辐射亮度仅仅反应光源自身的辐射特征，与探测器无关。, 光亮度反映了扩展光源在与面法线成q 角度方向单位投影面积上的发光强度，即,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.4 发光强度与光亮度,(3) 余弦发射体,定义：发光强度i正比于发光面元的方向余弦cosq，从而其亮度b与方向无关的扩展光源。,说明：, 余弦发射体又叫朗伯光源或朗伯发射体，按cosq 发光的规律叫朗伯定律。, 朗伯光源是一种具有各向同性光亮度的光源。理想的朗伯光源为绝对黑体。实际中的光源，只要其光亮度看起来是均匀的，都可以近似看作是朗伯光源。如太阳、套上理想的毛玻璃罩的白炽灯等。, 理想的漫反射表面，虽然自身不发光，但却能按照朗伯定律向各个方向反射不管来自何方的入射光，从而使反射光的亮度沿各个方向相同。如积雪、刷粉的白墙，以及某些十分粗糙的白纸表面等。这类理想的漫反射面称为朗伯反射体。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.4 发光强度与光亮度,(4) 定向发射体,定向发射体：光亮度具有一定的方向性的光源。,说明：, 定向发射体发射定向光束，如自各种成像光学仪器及探照灯、手电筒等发出的定向光束。, 最典型的定向发射体是激光器。一般情况下，由激光器发出的激光束的横截面积和发散角均很小，其光通量仅集中在一个特定方向的很小空间立体角内，用较小的辐射功率就可以获得极大的辐射强度和辐射亮度。,例：太阳表面的辐射亮度为3106w/(m2sr)，一只辐射功率为10mw的he-ne激光器发出的，直径约1mm、发散角约2分的激光束的辐射亮度约等于1010w/(m2sr)，比太阳表面的辐射亮度高出近4个数量级。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.4 发光强度与光亮度,(1) 光照度的定义e,光照度的定义：受照面单位面积上接收到的或投射到受照面单位面积上的光通量。,(1.4-12),光照度的单位： lx（勒克斯）、 ph（辐透）。 其中：1lx=1lm/m2，1ph=1lm/cm2。,e表征了受照面的明亮程度。若以f 换y ，则e表示辐照度或辐射能流密度。,说明：,光照度的数学表述：对于给定的受照面面元ds，其上所接收到的或投射到其上的光通量df，与该面元大小成正比，相应的比例系数正是该面元上的光照度，即,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.5 光照度,(2) 点光源产生的光照度,ds,dw ,s,n,q ,图1.4-7 点光源引起的光照度,点光源向受照面元ds对其所张立体角元dw 内辐射的光通量：,(1.4-13),点光源在受照面元ds上的光照度:,(1.4-14),结论：点光源所产生的光照度e，正比于光源的发光强度i和光束方向角的余弦cosq ，反比于光源点到受照面距离r的平方。,(1.4-15),平方反比定律：当点光源位于受照面法线上时，其产生的光照度仅与距离平方成反比，即,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.5 光照度,r,(3) 面光源产生的光照度,面光源元面积ds发出的到达受照面元面积ds上的光通量：,(1.4-16),q 和q ：面元ds 和ds的连线与各自面法线的夹角。,ds引起的光照度：,(1.4-17),总的光照度：,(1.4-18),说明：光源面与受照面具有对称性。若以受照面为光源面，且亮度仍为b，则在原光源面上将产生同样大小的光通量。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.5 光照度,(1) 色调、色饱和度及色度,人眼睛的彩色视觉：人眼的一种明视觉。,表征色光的基本参数：亮度，色调，（色）饱和度。,色调：反映了颜色的类别，如红（r）、绿（g）、蓝（b）等，决定于在光照明下物体所反射（或透射）光的光谱成分。,饱和度：色光所呈现颜色的深浅或纯度。对于同一色调的色光，其饱和度越高，颜色就越深或越纯；饱和度越小，颜色就越浅或纯度越低。,色度：色调与饱和度的合称，既用以说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.6 色度与三基（原）色,(2) 三基（原）色：红（r）、绿（g）、蓝（b）,三基（原）色原理：相同的彩色视觉有可能来自不同的光谱成分的组合。自然界中所有彩色都可以由红、绿、蓝这三种基本彩色相加混合而成。三基(原)色之间相互独立，其中任一色均不能由另外二色混合产生，但所有其它颜色都可以由此三种基本彩色按不同的比例组合而得到。,红绿黄 红蓝品红 蓝绿青 红绿蓝白,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.6 色度与三基（原）色,彩色电视机、计算机显示器都具备产生这三种基本色光的发光装置。每种色光的亮度从0到255共分为256级，三种相乘共有2563种色彩变化。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.6 色度与三基（原）色,rgb原图,反转色,b,r,g,g+b,r+b,r+g,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.6 色度与三基（原）色,(3) 染（颜）料色,在日光或具有较宽可见光光谱分布的光源照明下，,若颜料显示出黄色，表明其吸收了蓝色而反射红色和绿色（黄白蓝）；,若颜料显示青色，表明其吸收了红色而反射蓝色和绿色（青白红）；,若颜料显示品红色，表明其吸收了绿色而反射红色和蓝色（品红白绿）；,结论：品红、黄、青等三种色光相当于白光分别与红、绿、蓝的相减混色。,特点：品红、黄、青等三种颜料按适当比例混合，则混合颜料将由于同时吸收红、绿、蓝三种色光而变成黑色（品红黄青白-红-绿-蓝=黑）。,相减三基（原）色或染料三基（原）色（cmy）：品红、黄、青,相减混色主要用于美术绘画、印刷、纺织印染等。,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.6 色度与三基（原）色,(4) 互补色,特点：青+红、品红+绿、黄+蓝=白,定义：青红、品红绿、黄蓝,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,1.4.6 色度与三基（原）色,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,基本单位： cd（坎德拉）。,导出单位： lm（流明）、 sb（熙提）、ph（辐透）、 lx（勒克斯）。,坎德拉的定义：, 101325n/m2（帕）下的绝对黑体，在铂凝固点温度下，表面1/600000m2面积沿法线方向的发光强度（1967年法国巴黎第13届国际计量大会决议）；, 发出5401012hz频率的单色辐射源在给定方向上的发光强度，在该方向上的相应辐射强度为1/683w/sr（1979年法国巴黎第16届国际计量大会决议）。,1.4.7 光度学基本量的单位,1. 热辐射光与准单色光的定义和区别 2. 辐射度学与光度学的区别 3. 视见函数及光通量的基本概念 4. 发光强度与光亮度的基本概念 5. 光照度的基本概念 6. 相加三基（原）色及相减三基色原理,1.4 光辐射与光度学,1 光波、光线与光子,本节重点,1 光波、光线与光子,1.5 光波场的量子性,1. 黑体辐射,2. 光电效应,3. 康普顿效应,1.5 光波场的量子性,1 光波、光线与光子,主要内容,(1) 热辐射的一般特征,热辐射：普遍存在于自然界的一种自发辐射过程,热辐射的一般特征：, 任何温度下的所有物体都在向周围发射热辐射，同时也从周围吸收热辐射, 同一温度下，不同物体所辐射的光谱成分有显著不同, 热辐射的光谱是连续的，随着温度的升高，光谱强度分布向短波方向移动,且总辐射功率增大,1.5 光波场的量子性