光电检测技术

1672年牛顿完成了著名的三棱镜色散试 验，并发现了牛顿圈（但最早发现牛顿圈的 却是胡克）。在发现这些现象的同时，牛顿 于公元1704年出版的《光学》中提出了光是 微粒流的理论，他认为这些微粒从光源飞出 来。在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速 直线运动，并以此观点解释光的反射和折射 定律。
然而在解释牛顿圈时，却遇到了困难。同时，这种微粒流 的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所发生的衍射现象。
1621年斯涅耳在他的一篇文章中指出，入射角的余割和折射角的 余割之比是常数。
1630年笛卡儿在《折光学》中给出了用正弦函数表述的折射定律。
1657年费马指出光在介质中传播时所走路程取极值的原理，并根 据这个原理推出光的反射定律和折射定律。
☆综上所述，到十七世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学 的基础。
☆我国春秋战国时期，墨翟(公元前468~376年)及其弟
子提出了一系列经验规律，因此《墨经》称得上是有关光 学知识的最早记录。
☆比《墨经》大约迟一百多年，在希腊数学家欧几里
德(公元前330~275年)所著的《光学》一书中，研究了平 面镜成象问题，指出反射角等于入射角的反射定律，同时 提出了将光当作类似触须的投射学说。
光的理论在十八世纪实际上没有什么进展。大多 数科学家采纳了光的微粒学说。
1801年杨格最先用干涉原理令人满意地解释了白光照 射下薄膜颜色的由来和用双缝显示了光的干涉现象，并第 一次成功地测定了光的波长。
1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形 成了人们所熟知的惠更斯—菲涅耳原理．运用这个原理不 仅圆满地解释光在均匀的各向同性介质中的直线传播而且 还能解释光通过障碍物时所发生的衍射现象，因此它成为 波动光学的一个重要原理。
光子能量公式： E = hν
光子动量公式：
P
=
hν
c
=
h
λ
E：光子的能量 h：普郎克常数 ν：频率
λ：波长
光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。波 粒二象性是光的客观属性，反映了“光”这个统一物两个 矛盾着的侧面，在某些情况下，它主要表现为波动性； 而在另一些情况下，它又主要表现为粒子性。例如，光 的传播过程中主要表现为波动性，但当光与物质之间发 生能量交换时就突出地显示出光的粒子性。
V = λ =λ⋅ f
T
一个完整的波的长度，叫做波长，用符号λ表示。
波前进一个波长所需要的时间，叫做波的周期，用符号T表示。它也等于 媒质中的点振动一次的时间(单位用秒)。
周期T的倒数是波的频率，用符号f表示，是指单位时间内波前进距离内
完整波的数目，(单位用次／秒，叫做赫兹)。
波的频率是由波源决定的，它就等于波源振动的频率， 而波速是由媒质决定的。
电磁波（在真空中C=2.9979250×108米／秒≈3×108米 ／秒）与光的速度完全一样，并且都不需要传播媒质；电磁 波的理论都可以用来描述光的各种现象。理论与实践在许多 方面的充分吻合。光的电磁论揭示了光的电磁本质，使人们 对光本性的认识大大提高了一步。
波峰 波谷
波传播的速度(简称波速)V和波 长λ，周期T(或频率f)的关系是：
他还发现当光以小角度入射到界面时，入射角和折射角近似地成正比关系。
开普勒还对人的视觉进行了研究，纠正了以前人们所认为的视觉是由眼睛 的发射出光的错误观点。他认为人看见物体是因为物体所发出的光通过眼睛 的水晶体投射在视网膜上，并且解释了产生近视眼和远视眼的原因。
☆折射定律的精确公式则是斯涅耳和笛卡儿提出的。
“你看见什么了？” “我看见那边尖塔上的风标了。” “那是你的幻觉，在这样远的地方，你怎么可能看见风标呢？” “不信，你自己来瞧瞧吧！” 正是这个偶然的机遇，荷兰的这位眼镜制造商发明了望远镜。 1608年10月2日，他向荷兰专利局提出了专利申请，他的有关望远 镜制造的专利文件，在海牙档案馆一直被保存下来。
1845年法拉第发现了光的振动面在强磁场 中的旋转，揭示了光学现象和电磁现象的内 在联系。
1856年韦伯做的电学实验结果，发现电荷的电磁单位 和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度即 300000000米／秒。
从这些发现中，人们得到了启示，即在研究光学现象 时，必须和其它物理现象联系起来考虑。
1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出 光是电磁波的理论。
【光】 严格地说，光是人类眼睛所能观察到的一种辐射。 由实验证明光就是电磁辐射，这部分电磁波的波长范围约在 紫光的0.38微米到红光的0.78微米之间。
波长在0.78微米以上到1000微米左右的电磁波称为“红外 线”。在0.38微米以下到0.04微米左右的称“紫外线”。红外 线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器或摄影方法去 量度和探测这种发光物体的存在。所以在光学中光的概念也 可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至X射线均被认为是光， 而可见光的光谱只是电磁光谱中的一部分。
光电技术是一门以光电子学为基础，综合利用光学、 精密机械、电子学和计算机技术解决各种工程应用课题 的技术学科。21世纪具有代表意义的主导产业第一是光 电子产业，第二是信息通信产业，第三是健康和福利产 业，第四是环境和新能源产业。光电子产业对其它许多 产业而言，将起到“基础材料”的作用。
“光”，这是我们十分熟悉的对象。我们天天接触光，处 处利用光。光是人类生存的基础，光是美化世界信使，光是 生产发展的工具。对地球而言，太阳是最大的光源，宇宙间 的恒星全都是发光体。
【光速】 一般指光在真空中的传播速度，Байду номын сангаас的特征是：
⑴一切电磁辐射在真空中传播的速率相同，且与辐射的 频率无关；
⑵无论在真空中还是在其他物质媒质中，无论用什么方 法也不能使一个信号以大于光速c的速率传播；
⑶真空中光速与用以进行观测的参照系无关。如果在一 伽利略参照系中观察到某一光信号的速率为 c=2.99793×1010厘米／秒，那么，在相对此参照系以速度 v平行于光信号运动的另一个伽利略参照系中，所观测到的 光信号一定也是c，而不是c＋v（或c-v），这就是相对论 的基础；
光电效应:光线在投到某些金属表面时，会使金属 表面释放电子，这种现象称为“光电效应”。并发现光 电子的发射率，与照射到金属表面的光线强度成正比。 但是如果用不同波长的光照射金属表面时，照射光的 波长增加到一定限度时，既使照射光的强度再强也无 法从金属表面释放出电子。
1900年普朗克提出了量子假说，认为各种频率的电磁波 (包括光)，只能象微粒似地以一定最小份的能量发生(它称为 能量子，正比于频率），成功地解释了黑体辐射问题，开始 了量子光学时期。
【光源】 物理学上指能发出一定波长范围的电磁波 （包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不可见光） 的物体。通常指能发出可见光的发光体。凡物体自身能 发光者，称做光源，又称发光体，如太阳、恒星、灯以 及燃烧着的物质等都是。但像月亮表面、桌面等依靠它 们反射外来光才能使人们看到它们，这样的反射物体不 能称为光源。光源主要可分为：热辐射光源，例如太阳、 白炽灯、炭精灯等；气体放电光源，例如，水银灯、荧 光灯等。激光器是一种新型光源，具有发射方向集中、 亮度高，相干性优越和单色性好的特点。
虽然我们生活在光的世界里，时刻感觉到光的存在，但是， 对于光的本性的认识却经历了漫长的岁月，这种认识过程直 到现在还在继续着。
在十七世纪以前，人们在长期生产活动实践中积累了 不少对光的知识，当时的认识主要局限于叙述一些光的现 象或光的传播规律，并未触及到“光的本性”。因此，人们 对“光的本性”这个问题虽经历了几十个世纪的认识过程， 可是，人们对它还是处于感性认识阶段。
在真空中，电磁波的速度、波长、频率之间的关系为：
C=λ⋅ f
电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。光电技术只涉 及光学谱区。
由于光波的波长很短，用米或厘米做单位都嫌太大，而采
用更小的单位微米( µm )，毫微米( mµ 或 nm )和埃( A& )，
它们之间的换算关系为：
mµµA&mmµ
µm
A&
1m = 100cm = 103mm
1mm = 103 µm = 106 nm = 107 A&
十九世纪末、甘世纪初是物理学发生伟大革命的时代。 从牛顿力学到麦克斯韦的电磁理论，经典物理学形成一 套严整的理论体系。
光学的研究深入到的微观机构中。光的发生、光和物 质相互作用。
光的电磁理论的主要困难是不能解释光和物质相互作 用的某些现象，例如炽热黑体辐射中能量随波长分布的 问题，特别是1887年赫兹发现的光电效应。
1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量 子假说，把量子论贯穿到整个辐射和吸收 过程中，建立了他的光子学说，他认为光 波的能量应该是“量子化”的。辐射能量是 由许许多多分立能量元组成，这种能量元 称之为“光子”。但这里所说的光子不同于 牛顿微粒说中的粒子，光子是和光的频率 (波动特性)联系的，光同时具有微粒和波 动两种特性。
☆罗马帝国的灭亡(公元475年)大体上标志着黑暗时代
的开始，在此之后，欧洲在很长一段时间里科学发展缓慢， 光学亦是如此。
☆英国牛津大学的罗杰尔·培根，早在13世纪就对
透镜做过很多的试验，并且得出结论说：“若是从一个 曲面—凸的或凹的，去透视一件物体，所得到的现象是 不同的，它能够变成这样：大的使我们看成了小的，或 者相反，小的看成大的；远的看成近的，隐蔽的变成看 得见的”。许多人都认为他是第一个近代意义上的科学 家。他似乎已经有了用透镜来改正视觉的想法，并且甚 至暗示过把透镜组合起来构成一具望远镜的可能性。培 根对光线穿过透镜的方式也有一些了解。在他死之后光 学又衰落了。
声波在室温下空气中的传播速度是340米／秒，在水中 的传播速度是1450米／秒。可以从公式1算出，1000赫兹的 声波在空气中的波长是34厘米，在水中的波长是1.45米，。
电磁波在不同媒质中传播时，它的速度是不同的，但都 比真空中的速度C要小。光在空气中的速度略小于C，通常可 用C来近似，光在水中的传播速度只有C的四分之三，在玻璃 中的传播速度是C的三分之二。
1678年惠更斯创建了“光的波动说”。
他认为光是在“以太”中传播的波。所谓“以太” 则是一种假想的弹性媒质，充满于整个宇宙空 间，光的传播取决于“以太”的弹性和密度。运 用他的波动理论中的次波原理，惠更斯不仅成 功地解释了反射和折射定律，还解释了双折射 现象。
但惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明，他没有 指出光现象的周期性，他没有提到波长的概念。他的次波包络 面成为新的波面的理论，没有考虑到它们是由波动按一定的位 相叠加造成的。归根到底仍旧摆脱不了几何光学的观念，因此 不能由此说明光的干涉和衍射等有关光的波动本性的现象。与 此相反，坚持微粒说的牛顿却从他发现的牛顿圈的现象中确定 光是周期性的．
十七世纪可以称为光学发展史上的转折点。在这时期
建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。 同时为了扩大人眼的观察能力，出现了光学仪器，第一架 望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的 发明使生物学的研究有了强有力的工具。
☆荷兰的利佩尔兹海在1608年发明了第一架望远镜。
利佩尔兹海出生在韦塞尔的米德尔堡。在关于望远镜的发明权的判 定过程中，他没有科学家的头衔，显然，这是他的不利因素，但他留 下的证据最有说服力。他是一位眼镜制造商，他家里自然有各式各样 的玻璃镜片。一天，他儿子拿着玻璃镜片玩耍，无意中，把两块镜片 嵌在一个纸筒的两端，并举着这个纸筒向远处观看。突然，他儿子兴 奋地喊道：“爸爸，快来看呀！太有趣了。”
☆开普勒（1571~1630）是德国近代著名的天文 学家、数学家、物理学家和哲学家。
他为了看清天体的运行状况，就在望远镜的研制上， 狠下了一番功夫，由于他研制的望远镜是用于观测天体的， 所以人们把开普勒望远镜称为天文望远镜。
开普勒于1611年发表了他的著作《折光学》，提出照度定律，指出光的强 度和光源的距离的平方成反比。
⑷光在真空中的速度为c，在其他媒质中，光的速度均 小于c，且随媒质的性质和光波的波长而不同。
【色散】 复色光被分解为单色光，而形成光谱的现象，称之为 “色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实 现。