光的本性

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。
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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。
d
dA S
图2 辐射强度示意图
d
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Ω是点 源所张的立体角。
该式的意义是：
如果要求传播方向限于立体角 (Δ θ )2 之内的光波是相干的。光源的面积 ( Δ x)2 必须小于 ( λ /Δ θ )2 。因此， (λ /Δ θ )2就是光源的相干面积。
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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 Δ V 。它被定义为相干 体积，即Δ V=ctc (Δ x)2
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.
t1
t2
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。
t1
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t1
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)。
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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。
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1.3-5 电磁波谱
进一步证实了X射线、γ 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l—1 所示的谱．称其为电磁波谱。
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电磁波谱
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光学区域(或光学频谱)包括紫 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，
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红色，0．76μm-0．63μm； 橙色，0．63μm-0．6μm； 黄色，0．60μm-0．57μm； 绿色，0．57μm-0．50μm； 青色，0．50μm-0．45μm； 蓝色，0．45μm-0.43μm； 紫色，0．43μm-0．40μm
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c＝2．9979×108m／s 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= （εrμr）1/2
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n=c/v=（εrμr）1/2
式中ε r和μ 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，μ ≈1，
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。
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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 Δ ν 内的一系列正弦波的叠加，波
单位是瓦式中Q 是辐射能量。
由于辐射能量是波长、面积、立 体角等因素的函数，用偏微商
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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
dA
式中A是辐射源面积。单位是 瓦／米2,P是辐射通量
θr
dS
.dP
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。
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根据红外辐射产生的机理 不同，可将红外线划分为：
近红外波段，0．76μ m-2．4μ m (相应于原子能级间跃迁)； 中红外波段，2．5μ m-25μ m (相应于分子振动一转动能级间的 跃迁)； 远红外波段，25μ m以上 (相应于分子转动能级间的跃迁)。
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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，
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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。
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。
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如果物体表面的反射系数为R＜1，可证明,
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光的波动性--光的衍射
两个主要特点， ①光传播方向会变，经 障碍物后会绕到其几 何阴影区域中去； ②在几何阴影区附近， 波的强度会有起伏。
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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
I＝nhνc
或 n＝I/(hνc)
二、光子的动量和光压 光子除具有能量E＝hν 外，还具有动量P 由相对论质能关系
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和动量的表示式
因为光子的静止质量m0=0，所以由上式可得
式中λ是光的波长。
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既然单个光子具有动量，光子流也具有动 量，设光子流单位体积内的能量为 W ，则 与单位体积相对应的光子流的动量p为
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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。
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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。
光的相干有两种类型
时间相干 空间相干
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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。
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光波的偏振特性
振动面线偏振光的 振动方向与传播方 向构成的平面。
自然光或 非偏振光 如果电场 振动方向 漫无规则， 则该光为
偏振 光电 场矢 量具 有一 定的 规则
部 分 偏 振 光
园 偏 振 光
椭 园 偏 振 光
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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Hale Waihona Puke Baidu不 相干的，导致干涉效应很差。
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三、光子的相干性
利用光子的概念说明光的相干性。 Δ x Δ θ ≤λ 它可写成 ( Δ x ) 2 ≤( λ / Δ θ ) 2
干涉现象。AC叫做相干面积。AC愈大，光
的空间相干性愈好。
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S1和S2处的场具有明显相干
性的条件是
Δ xΔ θ ≤λ
式中Δ θ 是两缝间 距对光源的张角。
表明，光源愈小，则 具有空间相干性的张 角Δθ愈大。
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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。
或由空间一点某时刻的光电 场确定另一时刻的光电场。
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相干长度
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。光传播速度c 为常 数，相应该长度有一个光的 传播时间.
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。
不同单色光的薄膜干涉条纹
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。
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可见，波长λ越长，干涉条纹越宽
白光的薄膜干涉条纹 ——彩色条纹
肥皂泡和水面上的油膜 所呈现的美丽色彩。
n=（εr）1/2
称为麦克斯韦关系。 对于一般物质来说， ε 或n都是频率的 函数．
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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 =E× H
描述了光的电磁能量的传播特性。
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 的光子是相干的。
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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。
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。
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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。
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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。 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
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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E＝hv，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。 光电子技术研究所
设频率为 ν 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
P光压＝(1+R)W 考虑到W＝nhv＝I/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0．4毫克，觉察它十分困难。
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三、光能量的量度单位
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，描述人眼对光 的敏感程度。
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3．辐射强度IΩ
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。
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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。
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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
式中ε 为介电 系数，μ 为导 磁率。
辐射强度的平均值称为光强度，即单位时 间通过垂直光的传播方向单位面积的能量， 以I表示。
列的持续时间τ c与Δ ν 之间有如下的关系：
（τc）（Δν）≌1
τc相干时间。
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（τc）（Δν）≌1
τc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，单
色性很差，时间相干性很差。
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对于普通光源
光度学量受主观视觉的限制， 不是客观的物理量
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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。
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基本辐射量
（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
紫外线和红外线不能引起视觉。 红外线波段的波长范围是0．76μm—lmm (相应的频率范围是4×1014Hz-3×1011Hz)。 光电子技术研究所
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：
0．76μm-3μm； 3μm-6μm； 6μm-15μm； 15μm-1000μm。
近红外波段 中红外波段 远红外波段 极远红外波段