经典物理学-光学.doc

经 典 物 理 学光 学电磁波谱 现代物理学所认识到的电磁波按波长顺序排列成谱，就形成了电磁波谱：1.无线电波 通信、雷达、无线电导航、微波能加热领域.长波（波长3000米以上）短波（波长10米到50米）中波（波长200米到3000米）微波（波长1毫米到1米）用于无线电广播、电视和电报通讯等领域2.红外线（波长760纳米到十分之几毫米） 红外线主要是由炽热物体所辐射,故也称为热辐射。其热效应显著,因此被广泛应用于加热,烘烤,理疗等领域.此外,由于发热的物体都辐射一定量的红外线,因此还在病理检查,航天及军事方面有广泛的用途.3.可见光（波长390纳米到760纳米之间） 可见光在整个电磁波谱中只占很狭窄的频带领域,按照频率的增加,光的颜色依次从红到紫.4.紫外线（波长范围5到400个纳米之间） 波长比可见光略短的是紫外线, 炽热物体温度很高时就会辐射紫外线.短波紫外线：（波长200nm280nm）。在经过地球表面同温层时被臭氧层吸收，不能达到地球表面，对人体产生重要作用（如：皮肤癌患者增加）。中波紫外线：（波长280nm320nm).中波紫外线的极大部分被皮肤表皮吸收，不能渗入皮肤内部.对皮肤可产生强烈的光损伤，被照射部位真皮血管扩张，皮肤红肿、水泡等症状。长久照射皮肤会出现红斑、炎症、皮肤老化，严重者可引起皮肤癌。中波紫外线又被称作紫外线的晒伤（红）段，是应重点预防的紫外线波段。4.紫外线（波长范围5到400个纳米之间） 波长比可见光略短的是紫外线, 炽热物体温度很高时就会辐射紫外线.长波紫外线：(波长320nm400nm）。长波紫外线对衣物和人体皮肤的穿透性远比中波紫外线要强，可达到真皮深处，并可对表皮部位的黑色素起作用，从而引起皮肤黑色素沉着，使皮肤变黑，起到了防御紫外线，保护皮肤的作用。因而长波紫外线也被称做“晒黑段”。长波紫外线虽不会引起皮肤急性炎症，但对皮肤的作用缓慢，可长期积累，是导致皮肤老化和严重损害的原因之一。（晒黑、老化）防止紫外线照射给人体造成的皮肤伤害，主要是防止中波紫外线的照射；而防止长波紫外线，则是为了避免皮肤晒黑。 4.紫外线（波长范围5到400个纳米之间） 波长比可见光略短的是紫外线, 炽热物体温度很高时就会辐射紫外线.紫外线的特点（1）缺点：A使皮肤老化产生皱纹 B产生斑点 C造成皮肤炎 D造成皮肤癌 （2）优点：A消毒杀菌 B促进骨骼发育 C对血色有益 D偶尔可以治疗某些皮肤病波长200290nm的紫外线能穿透细菌、病毒的细胞膜，给核酸（DNA）以损伤，使细胞失去繁殖能力，达到快速杀菌的效果。 5.X射线 X射线由高速电子流轰击金属靶得到,也可以由较种的原子内层电子的跃迁产生.波长范围在10到0.001纳米之间.它的波长与紫外线和射线均有重叠。X射线能量非常高,具有很强的穿透力，可以穿透生物体和金属。医学上常用作透视检查，工业中用来探伤。长期受X射线辐射对人体有伤害 。X射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。 6.射线 波长小于0.1纳米的电磁波称为射线.由于其波长极短，在所有的电磁波中，它的能量、穿透能力和杀伤力均居首位。它可由放射性元素自发产生，也可在粒子加速器中产生。被广泛应用于医学、农业、生物、冶金、科研等领域。与其他核武器相比，射线的威力主要表现在以下两个方面：一是射线的能量大。高能量的射线对人体的破坏作用相当大，当人体受到射线的辐射剂量达到一定量时，死亡的概率几乎为100。 二是射线的穿透本领极强。射线是一种杀人武器，它比中子弹的威力大得多。中子弹是以中子流作为攻击的手段，但是中子的产额较少，只占核爆炸放出能量的很小一部分，所以杀伤范围只有500700米。射线的杀伤范围为方圆100万平方公里。 光的研究领域一、几何光学以光的直线传播为基础研究光在透明介质中的传播规律。二、波动光学以光的波动性为基础研究光在传播过程发生的现象。三、量子光学以光的量子性为基础研究光与物质的相互作用。一. 几何光学1。光的直线传播理论 古代关于光学现象的知识记载主要有： （1）墨经在两千多年前关于针孔成像的描述中国北宋时期沈括在梦溪笔谈记载有“小孔成像”现象；（2）古希腊在公元前300年研究光的直线传播和光的反射现象。（3）开普勒写过折光学一书，记载了光的折射实验。费马光程极值定理光线在两点间的实际路径是使所需的传播时间为极值的路径。在大部分情况下，此极值为最小值，但有时为最大值，有时为恒定值。 支持学说光的微粒说 17世纪70年代，牛顿在对光的折射和色散的研究基础上，基于光线的直线传播的性质，提出了光的微粒说，他认为： 光是发光体所射出的一群微小的粒子，它们一个接一个地迅速射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个粒子之间的时间间隔。二、波动光学物理光学A.光是一种波动惠更斯认为:光是发光体中的微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的完全弹性介质(以太)中的传播过程.纵波：传播方向与振动方向一致的波；横波：传播方向与振动方向垂直的波声波是纵波，光是横波二、波动光学物理光学电 磁 波振动方向与传播方向垂直 横波振动方向与传播方向平行 纵波比如：声波随波长变化，光的颜色不同 !例：红光 6300 6.310-7 m绿光 5500 5.510-7 m波长=光速/频率惠更斯原理：光振动所达到的每一点都可视为子波的振动中心，子波的包络面为传播着的波的波阵面。a光的干涉(相干原理)相干条件：(1) 两光波频率相同；(2) 两光波在相遇点的振动方向相同； (3) 两光波在相遇点具有恒定的位相差。 满足上述相干条件的两光波相遇，在空间形成强度稳定分布的干涉现象。由于它们的频率相同，振动方向相同，且具有固定的位相差=0，因此，叠加后光强加强。 由于它们在相遇时位相相反，因此，叠加后光强相消。 屏上点的光强取决于有两个缝发出的光波到达该点时的位相是相同还是相反.当位相相同时,该点为亮条纹;当位相相反时,该点为暗条纹.所以,屏幕上就产生了明暗相间的干涉条纹.b.光的衍射惠更斯菲涅耳原理： 波阵面上每一点ds，均可看作新的子波源，向四周发出球面波，任一点P的光强是所有这些子波源在该点振动的相干叠加。平面波到达狭缝时,缝上各点都可看做是子波的波源,做出这些子波的包络，就得出新的波前.很明显,此时的波前与原来平面略有不同,靠近边缘处略有弯曲,这样子波就绕过了障碍物而继续传播.例:平面波的衍射例：直边衍射（刀刃衍射） 例2：（光栅）平行、等宽且等间隔的多条狭缝 狭缝104条厘米光栅功能：把具有不同波长的光分成很细的 纹，条纹间夹角很大，即分辨率很高!光栅原理：多光束干涉 单狭缝夫琅和费衍射c. 光的偏振光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。 自然光经过偏振片，光强变为原光强的一半！1. 在摄影镜头前加上偏振镜消除反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。要通过取景器一边观察一边转动镜面，以便观察消除偏振光的效果。当观察到被摄物体的反光消失时，既可以停止转动镜面。2. 摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗。由于蓝天中存在大量的偏振光，所以用偏振镜能够调节天空的亮度，加用偏振镜以后，蓝天变的很暗，突出了蓝天中的白云。偏振镜是灰色的，所以在黑白和彩色摄影中均可以使用。3. 使用偏振镜看立体电影在观看立体电影时,观众要戴上一副特制的眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。 立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像,制成电影胶片.在放映时,通过两个放映机,把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映,使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上.这时如果用眼睛直接观看,看到的画面是模糊不清的,要看到立体电影,就要在每架电影机前装一块偏振片,它的作用相当于起偏器.从两架放映机射出的光,通过偏振片后,就成了偏振光.左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直,因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直.这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处,偏振光方向不改变.观众用上述的偏振眼镜观看,每只眼睛只看到相应的偏振光图象,即左眼只能看到左机映出的画面,右眼只能看到右机映出的画面,这样就会像直接观看那样产生立体感觉.这就是立体电影的原理. 19世纪,光的波动说取得了巨大的成功,它比微粒说解释了更多的现象. 而大约在100年后,新的显示光的”粒子性”的实验现象出现了,光电效应、康普顿效应等,这些现象用”波动说”无法解释! 爱因斯坦提出了”光子”的概念,提出光的波粒二象性,这是目前人们对于光的本性的比较正确和全面的认识-光在传播时显示出波性,在与物质相互作用而转移能量时现实出粒子性,两者不会同时显现出来.2.1 三维全息照相技术(1)普通照相普通照相(摄影)技术的原理是应用透镜成像原理,使物体成实像在感光底片上,从而讲物体的形象纪录下来.因此,我们知道普通照相纪录的只是物体表面发光或者反射光的强度.(2)数码照相数码相机的工作原理是通过镜头接收光线，然后被CCD的芯片将接收到的光线转换成电信号，最后将电信号作为数据记录到内存储器和存储卡中.，是英文Charge Coupled Device 即电荷耦合器件的缩写，它是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。一般来讲,像素越高图象越清晰（）全息照相（全部信息照相）技术概述全息照相原理，最早是1948年伦敦大学的伽博（D.Gabor）为了提高电子显微镜的分辨本领而提出的。从那时起直到50年代末期，全息照相都是用汞灯（水银灯）作为光源，由于光源的相干性太差，因此在这10年中，全息技术进展缓慢。1960年以后，出现了激光，由于它的高度相干性和强度大，为全息照相提供了十分理想的光源，此后全息技术才获得了迅速发展，现在它已是一门应用广泛的重要新技术。 伽博本人也因此而获得1971年度的诺贝尔物理学奖。2.原理全息照相技术无透镜两步成像术所以，全息术的原理是来源于经典的波动光学理论，是经典光学中的干涉和衍射技术的一种综合和发展全息照相原理解释： 从激光器发出的一束激光，被分束镜分成两束一束被反射镜M1，扩束镜扩展后照射到物体上，被物体反射的光线直接照射在照相底片上，这一束光叫做物光；另外一束通过分束镜的光被扩束镜扩展后经反射镜M2，也照射到底片上，这一束光没有经过物体的反射，称为参考光参考光和物光是同一束激光分离出来的，所以他们是相干的在照相底片上两束光干涉，在空间的不同位置发生振幅干涉相长或干涉相消的情况，底片就把这样的干涉条纹纪录下来，经过显影和定影后，就成为一张全息照相的“底片”用全息照相方法获得的底片并不直接显示被照物体的形象，而是一幅复杂的干涉条纹图象（很多条），这些条纹记录了物体的光学全息。在显微镜下可观察到它上面布满细密的亮暗条纹（如图所示），这些条纹形状与原物形象没有任何几何上的相似性。 全息照相的再现： 观察全息照片记录的物像时，必须用与原来参考光完全相同的光束去照射，这束光称为再现光。再现光观察时所用光路如下图所示（图中假设再现光是平行光）。用一束被扩束的相干光从特定方向照射到全息照片上，对于这束再现光，全息照片相当于一块反差不同，间距不等，弯弯曲曲透过率不均匀的复杂“光栅”，再现光被照片上的干涉图像衍射，在照片后面出现一系列衍射光波有 0 级、1 级、2 级等0 级波可看成是入射相干光经衰减后形成的光束，而正负1 级衍射光，它们构成了物体的两个再现像。其中，+1 级衍射光是发散光与物休在原来位置发出的光波完全一样，将形成一个虚像，如果这个光波被人眼所接受，就等于看到了原物体，所以也称它为真像，1 级衍射光是会聚光，它将在原物再现像的异侧形成一个共轭实像，被称为赝像。 在Windows Vista Business DVD零售光盘的封面上发现了一张极其微小的三人合影照微软Vista产品经理Nick White对此做出了解释：照片上的三个人是负责设计Vista DVD光盘全息防伪技术的，而这张照片也则是微软反盗版部门的一个数字水印，目的是增加盗版的难度 。2.2 全息的应用全息照相技术发展到现阶段，已发现它有大量的应用。例如利用全息照相可以获得三维立体图象的特性。目前已经进行了对全息显微术、全息电影、全息电视的实验研究，逐渐接近实用。此外可利用全息照片的干涉图样所揭示的微小光程差的变化来研究物体的形变、内部的应力分布等，在力学领域的研究中发展起来的全息干涉计量方法也已获得较大的成功。利用全息照片可以把资料的信息存储在很小的范围内的特点实现了全