从理论到实践光学的发展课件

从理论到实践

——光学的发展目录2.远场衍射与激光微米尺3.光电效应的研究验证与应用1.光的全反射与光纤4.扩展阅读：一升水照明计划发现问题提出假设进行实验得出结论运用实际PLANDESIGNBUILDTESTEVALUATE科学探究法1.光的全反射与光纤光的全反射小实验光纤通讯之父——高锟高锟，华裔物理学家，生于中国上海，祖籍江苏金山（今上海市金山区），拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份，在香港和美国加州山景城两地居住。从1957年开始，高锟即从事光导纤维在通讯领域运用的研究。1964年，他提出在电话网络中以光代替电流，以玻璃纤维代替导线。1965年，在以无数实验为基础的一篇论文中提出以石英基玻璃纤维作长程信息传递，将带来一场通讯业的革命，并提出当玻璃纤维损耗率下降到20分贝/公里时，光纤维通讯就会成功。1966年，在标准电话实验室与何克汉共同提出光纤可以用作通信媒介。高锟在电磁波导、陶瓷科学（包括光纤制造）方面获28项专利。由于他取得的成果，有超过10亿公里的光缆以闪电般的速度通过宽带互联网，为全球各地的办事处和家居提供数据。1966年，高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单地说，只要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够利用玻璃制作光学纤维，从而高效传输信息。利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛，全世界掀起了一场光纤通信的革命。1965年，高氏对各种非导体纤维进行仔细的实验。按他分析，当光学讯号衰减率能低于每公里20分贝时，光束通信便可行。他更进一步分析了吸收、散射、弯曲等因素，推论被包覆的石英基玻璃有可能满足衰减需求达到波导。这项关键研究结果，推动全球各地连串运用玻璃纤维波导来通讯的研发工作。光纤在生活中的运用2.远场衍射与激光微米尺

激光微米尺的原理与制作远场衍射（光的衍射中的单缝衍射）远场衍射，也称夫琅和费衍射。在光的衍射实验中，若光源或观察屏离开衍射孔或缝为无限远，这种衍射现象称为远场衍射。夫琅和费衍射使用惠更斯－菲涅耳原理，藉以把通过圆孔或狭缝的一波动分成多个向外的波动，使用透镜来有目的地衍射光的观测实验一般被用作描述这个原理。当波动通过时，波动会被衍射分成两个波动，之後以平行的角度各自行进，後面跟着进来的波动亦是如此，在观测时把屏幕放在行进路线上来看成像条纹这个方法就用到这样的原理。当一遭到衍射的波动在最初衍射点的近场距离，在与其他波动平行下被观测到时，我们会看到菲涅耳衍射，因为用圆孔与屏幕σ间距离用菲涅耳数方程式计算出的结果小於1，这方程可在观测平行波的衍射程度时用到，方程需要的物理量为圆孔或缝隙的大小a、波长λ以及离圆孔的距离L。当距离或波长增加时，由於在圆孔或物件边缘的波动开始变得像平面波，所以会产生夫琅和费衍射。这是衍射的分析图。其中L为发射端，也是细丝到接受屏的距离，r为中心到第一级亮纹之间的距离，θ为从中心到第一级亮纹。（不是暗纹！这是狭缝的全反屏！可以从下面的一幅图中看出0级亮纹直接接的又是一条亮纹，就像土星一样）由图可以得出，光程差∆u=dtanθ又因为θ角非常小，所以sinθ≈θ≈tanθ≈(r/L)当处于第一级亮纹时∆u=λ，即一倍波长。d=λL/r，由此可以计算出狭缝的宽度激光微米尺测算狭缝宽度3.光电效应的研究验证与应用光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectriceffect）。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成，当某一光子照射到对光灵敏的金属(如硒)上时，它的能量可以被该金属中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加;如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。光电效应亚历山大·贝克勒尔海因里希·赫兹威廉·霍尔伐克士奥古斯图·里吉亚历山大·史托勒托夫约翰·艾斯特约翰·艾斯特约瑟夫·汤姆孙菲利普·莱纳德阿尔伯特·爱因斯坦罗伯特·密立根威利斯·兰姆马兰·斯考立赫兹霍尔瓦克斯参与光电效应研究的科学家光电效应的应用领域4.扩展阅读：一升水照明计划1升水照明计划（LiterofLight），来自菲律宾，1升水（外加漂白粉若干，消毒用），1个矿泉水瓶，将水灌入瓶子，并安装进屋顶，一半在屋顶下（室内），一半露出在外，就能搜集和放大阳光，为室内提供不逊于60瓦电灯泡的照明效果。目前，这个计划已经为菲律宾无数没有电力的家庭带来了光明。而最