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1、光与现代科技讲座,第一章 绪论,光与现代科技讲座,云南大学信息学院通信工程系 宗 容 13700687824,第一章 绪论,光与现代科技,课程计划,一、目的 激光器的诞生标志着量子光学由学术走向技术，使传统光学、近代光学进入现代光学和光子学的新世纪。激光是探索自然奥秘的超级“探针”，激光开始了光学领域一场新的革命。 半个世纪以来，国内外激光应用技术取得了飞速发展，形成鲜明的时代性和跨学科的综合性。 激光技术与其他各学科紧密相关在人类科技发展的大系统中扮演着“支撑”的角色，成为推进其他高新技术发展的“助推器”，也是促进国民经济增长的“刺激剂”。 二、特点 尽可能新、实用，拓展视野 重在新技术、

2、新器件及技术应用的介绍，跟踪新技术的发展,三、教材及主要参考书 1朱林泉等现代激光工程应用技术M北京：国防工业出版社，2008； 2陈家璧，彭润玲激光原理及应用M(第二版) 北京：电子工业出版社，2008； 3张记龙光电信息技术与应用M北京：国防工业出版社，2008； 4王庆有光电技术M北京：电子工业出版社，2005； 5刘增基光纤通信M北京：电子工业出版社，2001,四、学时及考试安排 每周2学时，讲授17周，共计34学时 期中考试：完成1篇光技术应用的论文 期末考试时间：第18周，6月28日周二，9-10节 五、学完后水平 了解光与激光器的一些基本原理 了解光在现代科技中的应用技术 了解该

3、领域的发展趋势,光与现代科技讲座,第一章 绪论 2 第二章 光源与激光器 2 第三章 光纤与光学传感技术 4 第四章 激光在现代医学中的应用 4 第五章 激光在军事技术中的应用 4 第六章 激光在现代工业和加工中的应用 4 第七章 光与信息技术 4 第八章 光通信技术与网络 6 第九章 光学成像、全息与显示技术 2 第十章 光电集成与纳米技术 2,第一章 绪论,1.1 光的基本特性 一. 概念 二. 几何光学中的基本定理和原理 三. 光的干涉、衍射和偏振波动性 四. 光的吸收、色散和散射粒子性 五. 光辐射的度量 1.2 光电信息技术的发展简况 1.3 光电信息技术的地位与作用 1.4 光电信

4、息技术的发展趋势,一、光学的研究内容,研究光的本性； 光的产生、传输与接收规律； 光与物质的相互作用； 光学的应用。,光学,二、光的两种学说,牛顿的微粒说 光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。,惠更斯的波动说 光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。,四、光学的分类,几何光学 以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学仪器成象规律。 物理光学 以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。 波动光学光的波动性：研究光的传输规律及其应用的学科 量子光学光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及其应用的学科,三、光的本性,光的电磁理论波动性： 干涉、衍射、偏振 光的量子理论粒子性： 黑体辐射

5、、光电效应、康普顿效应,1.1 光的基本特性,一、概念 光是电磁波谱中波长范围为1nm1mm或者频率在3*1011Hz 3*1017Hz范围的电磁辐射，是能量与信息的载体。 可见光是波长为380nm780nm的电磁辐射，可见光刺激人眼产生人眼的视觉效应。 光也产生热效应，可以用主观和客观两种度量体制即辐射度学和光度学来度量光。 光具有波动性和粒子性，利用光的波动性可以研究光在介质和自由空间以及光电系统中的传播规律，光的粒子性和材料的光电特性是光电信息转换器件的物理基础。,1.1.1 概念,电场发生变化 产生变化的磁场 产生新的变化电场 变化的电场与变化的磁场交替变化，由近及远传播出去，这种变化

6、的电磁场在空间以一定的速度传播的过程，就是电磁波。,产生电磁波的物理基础,变化的磁场激发涡旋电场（即感应电场）,变化的电场（位移电流）激发涡旋磁场,1、电磁波产生和传播,电磁波产生演示,平面电磁波传播演示,球面电磁波传播演示,LC振荡电路辐射电磁波的条件,振荡频率足够高辐射能量与频率的四次方成正比，因而频率越高，辐射能量越高； 电路开放LC是集中性元件，电场能量集中在电容器中，磁场能量集中在线圈中，为了把电磁能辐射出去，电路必须是开放型的。,LC振荡电路就演变为振荡偶极子,电磁振荡演示,在离电偶极子很远的地方，则可以看成是平面波,光的传播,2、电磁波的特性,电磁波是横波，电矢量、磁矢量与传播速

7、度垂直,电场与磁场同相位,电场与磁场幅值成比例,真空中电磁波的传播速度等于光速,电磁波的传播速度,横波演示,纵波演示,3、电磁波的能量,以电磁波形式传播出去的能量叫做辐射能。,能量密度(即单位体积内的电磁能量),能流密度（波强）：单位时间内通过与电磁波传播方向垂直的单位面积的能量,叫做电磁波的能流密度,也叫电磁波的强度。,坡印廷矢量,特点： 辐射能量与频率的四次方成正比； 辐射能量与距离的平方成反比，这是球面波的特点； 有很强的方向性，在垂直于轴线方向上的辐射最强，而在沿轴线方向上没有辐射。,单位时间内辐射的能量叫做辐射功率。,4、电磁波谱光的波动性,无线电波：长波： 31033104m，远洋

8、长距离通讯与导航 中波： 2003103m， 航海，航空定向，无线电广播 短波： 10200m， 无线电广播，电极通讯等。 超短波：110m， 电视，雷达电导航 微波： 0.1cm1m， 电视，雷达电导航 红外线： 0.76600mm 热效应 可见光： 0.400.76mm 紫外光： 0.4m50 生理作用，杀菌，诱杀昆虫，医疗 x射线： 500.4 穿透能力强，人体透视晶体结构分析 g 射线： 0.4 可研究原子核结构,演示,真空中各种电磁波具有相同传播速度。将各种电磁波按照频率或波长的大小顺序排列起来，就形成了电磁波波谱。,光在电磁波谱中的分布,电磁波波段划分和常用传输媒质-1,电磁波波段

9、划分和常用传输媒质-2,一、光的直线传播定律,1定律：光在均匀介质中是沿直线传播,1.1.2 几何光学中的基本定理和原理,2条件： 光通过孔径d的小孔，当d接近或小于时，光偏离直线的偏离角（衍射角）/d 当 =0时，有=0，光严格沿直线传播 当d 时，可近似认为光沿直线传播,二、光的反射定律和折射定律,1反射定律：反射线处于入射面内，且反射角等于入射角； 2. 折射定律：折射线处于入射面内，且入射角与折射角的正弦之比，等于第二种介质的折射率与第一种介质的折射率之比；,三、全反射,1光线从光疏媒质射向光密媒质，ir 光线从光密媒质射向光疏媒质，ir,2全反射： 临界角：折射角等于90时的入射角

10、全反射：当光从光密媒质射向光疏媒质时，如果入射角大于临界角，光线将不再进入第二种介质，全部返回第一种介质的现象。,四、光的可逆性原理,当光线的方向逆转时，光线将沿着与原先反方向的同一路径传播 光的可逆性原理不仅适用于光的反射和折射过程，也适用于一切传播过程。,光在曲面上的反射：光线在两种折射率不同的透明介质所形成的球形分界面上发生反射的现象 光在曲面上的折射：光线在两种折射率不同的透明介质所形成的球形分界面上发生一次折射的现象,五、光在曲面上的折射和反射,一、光波,1光波的概念： 红外光：0.76m 可见光：0.400.76m 紫外光：0.40m,1.1.3 光的干涉、衍射和偏振波动性,2光的

11、颜色： 单色光只含单一波长的光：激光 复色光不同波长单色光的混合：白光 3光的速度与折射率： v=c/n,可见光,即能引起人的视觉的电磁波,它的频率在3.910147.71014Hz之间,相应真空中的波长在77003900之间。不同频率的光，颜色也不同。频率与颜色如表所示。,二、光矢量,2光强,光的平均能流密度，表示单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的光的能量在一个周期内的平均值。根据电磁波的平均能流密度表示式及电矢量和磁矢量振幅之间的关系，有,光波是横波。就能量的传输而言，光波中的电场E和磁场H是同等重要的。但实验证明,引起眼睛视觉效应和光化学效应的是光波中的电场,所以我们把光波中的电场

12、强度E称为光矢量(或光振动)。,1光矢量,I=E02,n-介质折射率；c-真空中光速； 在考察同一种介质中光强相对分布时，常舍去常量，故光强表示为：,三、光的干涉现象,1. 什么是光的干涉现象 两束光的相遇区域形成稳定的、有强有弱的光强分布（明、暗相间的条纹分布） 的现象,称为光的干涉.,2相干条件 振动方向相同 振动频率相同 相位相同或相位差保持恒定 3 相干光与相干光源 两束满足相干条件的光称为相干光 相应的光源称为相干光源,四、光的衍射现象,2.衍射现象： 波在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘而进入几何阴影传播,并且产生强弱不均的光强分布，这种偏离直线传播的现象称为衍射现象。

13、3.判据： a,1.实验现象：,演示,惠更斯原理：媒质中波所传到的各点都可看作是发射子波的波源，其后任一时刻，这些子波的包络就决定新的波阵面。 菲涅耳指出：波阵面上各点发出的子波在空间相遇时会产生干涉。“子波相干叠加”这就是惠更斯-菲涅耳原理。,P点的合振动：,4.惠更斯-菲涅耳原理,可用该原理解释干涉、衍射等现象,反射演示,折射演示,干涉演示,5、衍射光栅,d=a+b,由一组相互平行，等宽、等间隔的狭缝构成的光学器件称为光栅。 光栅常数d 的数量级约10-6米，即微米 通常每厘米上的刻痕数有几千条，甚至达几万条。,透射光栅,(1)光栅,反射光栅,(2)光栅衍射的实验装置与衍射图样,屏幕上对应

14、于光直线传播的成像位置上出现中央明纹； 在中央明纹两侧出现一系列明暗相间的条纹，两明条纹分得很开，明条纹的亮度随着与中央的距离增大而减弱； 明条纹的宽度随狭缝的增多而变细。,因此，光栅衍射图样是多缝干涉光强分布受单缝衍射光强分布调制的结果。,光栅衍射,(1) 光学仪器的分辨率,1、物与像的关系,物理光学 象点不再是几何点，而是具有一定大小的艾里斑。,几何光学 物像一一对应，象点是几何点,点物S和S1在透镜的焦平面上呈现两个艾里斑，屏上总光强为两衍射光斑的非相干迭加。,当两个物点距离足够小时，就有能否分辨的问题。,6.衍射规律的应用,爱里斑的半角宽度：,瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：点物S1的

15、爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。,2、瑞利判据,可分辨,恰可分辨,不可分辨,100%,73.6%,满足瑞利判据的两物点间的距离，就是光学仪器所能分辨的最小距离。对透镜中心所张的角0称为最小分辨角。 0=1.22/D,最小分辨角的倒数称为仪器的分辨本领,3、光学仪器的分辨率,讨论： 分辨本领与D成正比，与波长成反比：D大，分辨本领大；波长小，分辨本领大 圆孔衍射公式对抛物面式的天线，雷达均成立。,光学仪器的最小分辨角两光点对透镜中心所张的角(即为爱里斑的半角宽度):,分辨率为,对望远镜，不变，尽量增大透镜孔径D，以提高分辨率。现在最大的天文望远

16、镜直径已达5米以上。对显微镜主要通过减小波长来提高分辨率。荣获1986年诺贝尔物理学奖的扫描隧道显微镜最小分辨距离已达0.01，能观察到单个原子的运动图像。,人眼的分辨本领,设人眼瞳孔直径为D，可把人眼看成一枚凸透镜，焦距只有20毫米，其成象为夫琅和费衍射的图样。,德国实验物理学家，1895 年发现了X射线，并将其公 布于世。历史上第一张X射 线照片，就是伦琴拍摄他 夫人的手的照片。 由于X射线的发现具有重 大的理论意义和实用价值，伦琴于1901年获得首届诺贝尔物理学奖金。,伦琴（W. K. Rontgen，1845-1923）,(2) X射线在晶体中的衍射,1、X射线,原子内壳层电子跃迁产生

17、的一种辐射和高速电子在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为X 射线。,其特点是： 1 在电磁场中不发生偏转。 2 穿透力强 3 波长较短的电磁波， 范围在0.001nm10nm之间。,1895年伦琴发现，高速电子撞击某些固体时，会产生一种看不见的射线，它能够透过许多对可见光不透明的物质，对感光乳胶有感光作用，并能使许多物质产生荧光，这就是所谓的X射线或伦琴射线。,2、劳厄实验,晶体中原子排列成有规则的空间点阵，原子间距为10-10m的数量级，与X射线的波长同数量级，可以利用晶体作为天然光栅。,1912年劳厄的实验装置,在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑。,劳厄实验证明了X射线的波动性，

18、同时还证实了晶体中原子排列的规则性。,X 射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域，而且用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技术上有着广泛的应用。,1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X 射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸（DNA) 的双螺旋结构，荣获了1962 年度诺贝尔生物和医学奖。,3、X射线的应用,6、干涉与衍射的本质,光的干涉与衍射一样，本质上都是光波相干叠加的结果。一般来说， 干涉是指有限个分立的光束的相干叠加，衍射则是连续的无限个子波的相干叠加。 干涉强调的是不同光束相互影响而形成相长或相消的现象；衍射强调的是光线偏离直线而进入阴影区域。,干涉是有限多条光线的相干叠加

19、；衍射是无限多条光线的相干叠加。,干涉和衍射的主要区别是什么？,1.自然光与偏振光,光波是横(电磁)波。光波中光矢量(电场)的振动方向与光的传播方向垂直。,偏振研究光矢量在垂直于传播方向的平面内的振动状态(偏振态)。,五、光的偏振态,光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光矢量的横向振动状态,相对于传播方向不具有对称性。,定义：振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。,光的偏振性说明光波是横波,横波和纵波的区别偏振 纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题； 横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。,说明：只有横波才具有偏振现象，偏振现象是横波区别于纵波的最明显的特征。,2.

20、偏振态的分类,(1)自然光 各个方向上光振动振幅相同的光，称为自然光。 普通光源发出的光、阳光都是自然光。由于原子发光的间歇性和无规则性，使得普通光源发出的光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的速度取0360内的一切可能的方向，且没有哪一个方向占有优势。具有上述特性的光，称为自然光。,特点： 在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等； 自然光可分解为振动方向相互垂直但取向任意的两个线偏振光，它们振幅相等，没有确定的相位关系，各占总光强的一半。 自然光的表示方法：圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。,最常见的偏振光有五种:自然光、线偏振光、部分偏振光、*椭圆偏振光和圆偏振光。它们包含了光的一切

21、偏振态。,自然光的表示方法： 用两个独立的(无确定相位关系)、相互垂直的等幅振动来表示。 圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。 圆点表示垂直于纸面的振动,短线表示平行于纸面的振动。,(2)线偏振光(完全偏振光),定义：在垂直于传播方向的平面内,光矢量只沿某一个固定方向振动,则称为线偏振光，又称为平面偏振光或线偏振光。,(3) 部分偏振光,定义：光波中不同方向上的光振动振幅不等，在某一方向上振幅最大，而与之垂直的方向上的振幅最小，则称为部分偏振光。 即：将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一部分移去得到的光，称为部分偏振光。 特点：部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。,即：将自然光中两个

22、相互垂直的等幅振动之一完全移去得到的光，称为完全偏振光(线偏振光)。,(4)椭圆偏振光和圆偏振光： 光矢量末端的运动轨迹是椭圆或圆。 这相当于两个相互垂直的有确定相位关系的振动的合成。,圆偏振光,线偏光,在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为 左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。, 2- 1=/2, 2- 1=-/2,偏振片 起偏和检偏,1、基本概念 普通光源发出的是自然光，用于从自然光中获得偏振光的器件称为起偏器。 人的眼睛不能区分自然光与偏振光，用于鉴别光的偏振状态的器件称为检偏器,3.偏振光的获得和检测,3、起偏器 自然光通过偏振片后成为线偏振光，线偏振光的振动方向与

23、偏振片的偏振化方向一致。,4、检偏器 用来检验某一束光是否偏振光。 方法：转动偏振片，观察透射光强度的变化。 自然光：透射光强度不发生变化,偏振光：透射光强度发生变化,部分偏振光：偏振光通过偏振片后，在转动偏振片的过程中，透射光强度发生变化。,光的波动性可以解释光的干涉、衍射、偏振等现象，但涉及光与物质的相互作用问题，如光的发射和吸收，光电探测器的原理，光的波动理论就出了问题，光的粒子性的一面便凸显出来。 这个问题是20世纪初从黑体辐射和光电效应的实际事实与经典理论无法调和的矛盾中提出的。 1900年普朗克(MPlanck)提出量子假说，认为各种频率的电磁波(包括光)，只能像微粒似的以一定最小

24、份额的能量(称为能量子)发生，粒子说解释了黑体辐射的频谱分布，这是光的发射问题。光照射在金属表面上可使电子逸出，逸出电子的能量与光的强度无关，但与光的频率有关，这是光的吸收问题 1905年爱因斯坦(AEinstein)发展了光的量子理论，成功地解释了光电效应。光的量子理论认为，光与物质(原子)发生作用时，它以一定份额的能量E被发射和吸收，该能量正比于光的频率f，即 E=hf,1.1.4 光的吸收、色散和散射粒子性,E=hf,式中，h称为普朗克常量，其数值为 h=6.626075510-34Js，是物理学中最基本的常量之一。这份能量的携带者表现得像一个静质量为零的粒子，称为光子。 光电发射效应是

25、光的粒子性的有力证明，其数学表示为 从光电发射效应可以得到如下结论： (1)光束传输给每个电子的能量正比于光的频率。 (2)每个电子必须克服被称为逸出功W的最小能量的约束，才能从金属表面逸出。 (3)光电子的最大动能与光的频率成线性关系，与光强度和光的照射时间无关。,1. 光的吸收光波在物质中传播时，其一部分能量被转变为物质的内能的现象。,光的吸收、色散和散射,2物质对光吸收的一般规律朗伯定律 由于物质对光的吸收，随着光进入物质的深度的增加，光的强度按指数方式衰减。 3选择吸收 吸收与波长无关普遍吸收；吸收与波长有关选择吸收; 任何物质都不会再整个电磁波波段上只表现为普遍吸收，如果在可见光范围

26、内表现为普遍吸收，那往往在红外或紫外波段上表现为选择吸收,光的色散、吸收和散射是光波在物质中传播时所发生的普遍现象，是光与物质相互作用的表现。,一、光的吸收,当具有连续谱的光(白光)通过有选择吸收的物质后，再经光谱仪分析，可显示出某些波段的光或某些波长的光被吸收情况，这就是吸收光谱。 图所示为暗线吸收光谱，不同字母线对应太阳大气中含量较多的几种吸收元素。如氢(C,F),氧(A,B),氦(D3),钠(D1,D2),铁(E2,G),钙(H)。 原子吸收光谱具有很高的灵敏度，混合物或化合物中原子含量的极小变化，都会在吸收光谱中观测到吸收系数的显著变化。近几十年中用该方法发现不少新元素 不同分子有显著

27、不同的红外吸收光谱，所以研究固体和液体的红外吸收光谱，可用于鉴别分子种类，测定分子的振动频率，分析分子结构等，因而红外吸收光谱在有机化学研究和生产方面有广泛应用。,4. 吸收光谱,1. 色散光在物质中传播速度v随波长而改变的现象。 折射率n=c/v；n=f() 色散曲线折射率随波长的变化曲线 色散率dn/d 折射率随波长的变化的状况和程度 2. 正常色散和反常色散 在普遍吸收波段内物质表现出正常色散；在选择吸收波段内和附近物质表现出反常色散。,二、光的色散,正常色散,反常色散,1. 光的散射物质中存在的不均匀团块使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开的现象。 散射光向四面八方散开的光； 光

28、的散射也会使光强度减弱。 散射系数；+消光系数,三、光的散射,2. 瑞利散射 引起光散射的不均匀团块尺度不同，散射规律不一样。若将引起光散射的不均匀团块看为半径为a的球形颗粒，入射光的波长为，则 2a/0.3时，散射遵从瑞利散射定律，即散射光强与4成反比； 2a/较大时，散射光强与波长的依赖关系不明显 悬浮点散射由乳浊液中的固体颗粒、大气中的烟、雾或灰尘等团块引起的散射； 分子散射由分子热运动造成的密度的局部涨落引起的散射.,3. 拉曼散射 拉曼散射在散射光中出现与入射光频率不同的散射光的现象。 拉曼散射光谱具有以下特征： (1)在入射光角频率0相同的散射谱线(瑞利散射线)两侧，对称的分布着角

29、频率为01，02 ， 的散射谱线，长波一侧(角频率为0-1，0-2 ， )的谱线称为红伴线或斯托克斯线，在短波一侧(角频率为0+1,0+2 , )的谱线称为紫伴线或反斯托克斯线； (2)角频率差1,2 , 与散射物质的红外吸收角频率相对应，表征散射物质的分子振动角频率，而与入射光的角频率0无关； 根据拉曼散射光谱中伴线位置，可以得出分子振动频率，而它又与分子内部状况和结构密切相关,光的波粒二象性,从光的衍射、干涉等现象可以看出光具有波动性，但为了解释光的吸收、光与物质的相互作用如光电效应等现象又必须将光看作具有离散能量包的粒子，因此，光具有波动和粒子两重性，具体表现如下： (1)光是由离散能量

30、包的粒子即光子组成，一束光就是一束光子流。 (2)每个光子是具有有限长度的电磁波，大量的光子构成的光束的宏观效果可用波动方程来描述。 在涉及能量交换时，如光的发射和光在材料中的吸收以及光电探测器的原理时，仅需考虑光的粒子性；然而，当相互作用没有发生能量交换时，如光的干涉、衍射、反射、折射，只有能量重新分配时，只需考虑光的波动性。 由上面的讨论可知： (1)光是横波，其电场和磁场矢量相互垂直，它们的方向与传播方向符合右手螺旋。 (2)光波仅仅是全部电磁波谱的一部分。 (3)光具有波动性和粒子性。,1.1.5 光辐射的度量,在光电信息技术中，研究光的产生、传输、转换、探测和处理都涉及光的计量，因此

31、有必要了解与光的计量科学有关的量的定义以及量之间的关系。一方面，光是电磁辐射，因此描述电磁辐射的辐射度学的有关量可以全部用来计量光；另一方面，可见光能引起人眼的视觉效应，因此在可见光波的范围，也可以用光度学计量光。 辐射度学是研究电磁辐射能定量评价的一门科学，它用能量客观描述电磁辐射；辐射作用于人眼所引起的“光”感觉，是一种生理效应，它与辐射的组成、强弱及人的视觉器官的生理特性和人的心理活动都有关系。 光度学是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价可见光辐射所产生的视觉效应，具有主、客观性。,光谱光视效率,由于光度测量依赖于人眼的生理特性，对同样的光辐射，不同人具有不同的亮度感觉；在

32、不同的环境亮度下，同一个人眼对相同的光辐射也有不同的亮度感觉。为了统一评价标准，国标照明委员会(CIE)分别在1924年和1951公布了在明视觉(亮度大于3cdm2)和暗视觉(亮度小于0.001cdm2)下，人眼的平均相对光谱光视效率值V()和V()，即视见函数，如图所示。 这两个归一化函数的最大值分别位于555nm和507nm处。,1979年，第16届国际计量大会定义坎德拉：坎德拉是发出频率为5401012Hz辐射的光源在给定方向的发光强度，若光源在该方向的辐射强度为1683瓦每球面度，则定义其为一个坎德拉。,常用的光度量和辐射度量,在光度学和辐射度学中，测量对象都是光学辐射，仅仅是所依据的

33、评价标准不同。常用的光度量和辐射度量如表所列。,1.2 光电信息技术的发展简况,1873年的发现了硒的光电导性（内光电效应） 1888年德国的H.R.赫兹观察到紫外线照在金属上时，能使金属发射带电粒子 1890年P.勒纳通过对带电粒子电荷质量比的测定，证明它们是电子 1900年，M.普朗克提出黑体辐射能量分布的普遍公式 1929年，L.R.科勒制成银氧铯（Ag-O-Cs）光电阴极,出现了光电管 1939年，苏联的V.K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管 20世纪30年代末，硫化铅（PbS）红外探测器问世 40年代出现用半导体材料制成的温差型红外探测器和测辐射热计 50年代中期，可见光波段的硫化镉（

34、CdS）、硒化镉（CdSe）光敏电阻和短波红外硫化铅光电探测器投入使用 20世纪60年代之后的几十年间，红外探测器及红外探测系统得到迅速发展,光电信息技术的发展简况-2,光源和发光器件方面，最具里程碑意义的是20世纪60年代激光器的发明,近年来，激光已广泛用于通信、雷达、测距、定位、制导、遥感、工业生产和科学研究中，用以传递信息合各种测量与控制。 光纤技术的发展起源于1966年:当年英籍华人高锟等提出实现低损耗光学纤维的可能性，1970年，美国研制出损耗为20dB/km的石英光纤和室温连续工作的激光二极管,使光纤通信成为现实可能。这一年被公认为“光纤通信元年”。 光存储技术的历史较短，而发展很

35、快。1972年，荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。1982年，飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一台数字式激光唱机。 板显示器技术以液晶显示器发展最快。1964年，美国RCA公司发现了液晶的多种光电效应：宾主效应、动态散射效应和相移存储效应，为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了基础。,光电信息技术的发展简况-3,以上发展简况表明，尽管光电效应，受激发射原理等早已被发现或提出，但相应的光电子器件的出现和发展及其应用却滞后得多，光电子器件和技术的大发展已是20世纪50年代以后的事。 事实上，光电子器件的发展离不开材料技术、半导体技术、微电子技术和精密仪器设备，因而只能同其他高新技术互相促

36、进，共同发展。 同时，在光电信息技术领域内，各个技术分支之间也存在互相驱动、互相牵引的关系。 比如，激光牵引了快速响应光电探测器和四象限探测器， 光纤通信牵引了1.3um和1.5um室温连续半导体激光器、低噪声探测器和光纤放大器等器件， 光存储牵引了半导体激光器向短波长发展等等。,1.3 光电信息技术地位与作用,光电信息技术是将光学技术、光子技术、光电子技术、电子技术、计算机技术以至材料技术相结合而形成的一门高新技术，它以光波（辐射）为基本信息载体，通过对光波（辐射）的控制、调制、接收、存储、处理、显示等技术方法，获取所需要的信息，以达到为不同的应用需求服务的目的。 光电信息技术有两个最显著的

37、特点，一是有效地扩展了人类自身的视觉功能，促进了人类视觉探测的光谱延伸、阈值扩展。使视觉的光谱长波限达到40微米、以及亚毫米（太赫兹）波段；短波限延伸到紫外、X射线、射线乃至高能粒子。探测阈值达到和接近光子探测的极限水平。 另一特点是以光子作为信息载体具有极快的响应速度，极大的频宽、信息容量和极高的信息效率。使超快速现象（核爆炸、火箭发射等）可以在钠秒、皮秒、以致在飞秒量级记录变化过程。有线光通讯（光缆）正在替代电缆通讯，空间无线光通讯正在研制和发展之中，利用信息高速公路（光网络）的多台计算机来传输和处理大容量信息。,光电信息技术地位与作用-1,正是光电信息技术的上述两个重要的特点推动着信息科

38、学技术的迅速发展。光电信息技术的发展不仅改变了人们的工作、学习和生活方式，而且推动了新的产业革命、军事变革以及新兴学科的形成，具有越来越大的竞争力。在医学、军事、现代工业、信息技术、通信技术、光学成像、全息与显示技术、光电集成与纳米技术等方面得到应用与发展。 日常生活：CD、VCD、DVD、光缆通讯技术、数字电视、液晶显示、等离子体显示等。 地球科学领域：红外遥感、激光遥感、激光测距。 在军事领域 ：光电信息装备（如激光武器、侦察、预警、制导类）、激光通讯等。 光电信息技术已经在各行各业得到广泛的应用，由新材料、新工艺、新技术支撑的、能产生高效益的光电信息产业正在世界范围内迅速扩大，光电信息产

39、业在市场的份额逐年增加。在技术发达国家，光电信息相关产值已占国民经济总产值的一半以上。,光电信息技术的地位与作用-2,21世纪被称为“光电子信息时代”。一个世界性的“光谷”正在流行。不仅是国民经济和人们生活对光电信息技术的需求急剧增长，而且军事和国防对光电信息技术的需求显得更为突出。特别是全球范围内的利益追求，各国都把光电信息技术作为本国军事高新技术发展的关键技术来重视。不但要求信息的时效好，数量大，还要求质量高、成本低。这里从以下几个方面说明光电信息技术的地位和作用 通信 测绘、侦察与遥感 精确测控 科学研究 诊断和医疗 交通运输 光电对抗和激光武器,光电信息技术的地位与作用-3,除了上述所

40、列得几个主要应用领域外，光电信息技术在日常生活（如办公自动化、音像娱乐）、安全防卫（如电视监控、条形码技术等）、先进制造技术、军事（如军事演习、模拟训练、靶场测量等）等方面的应用需求将越来越多，对社会发挥的作用也越来越大。,激光技术与其他技术应用领域的结合,1.激光化学：利用激光十分精确和有效地把能量打在分子身上， 触发某种预期的反应。 2.激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。 3.超快超强激光：超快超强激光主要以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的工具和手段。,4.新型激光器研究： 激光测距仪是激光在军

41、事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。 激光雷达相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在“盲区“，因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补足。还有精确的激光制导导弹，以及模拟战场上使用的激光武器技术运用。在激光实战演习的战场上，酷似实际战争场面。 激光武器的优点；无需进行弹道计算；无后坐力；操作简便，机动灵活，使用范围广；无放射性污染,光电技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步,目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广

42、泛的最重要的高新技术就是光电技术，他必将成为21世纪的支柱产业。 在光电技术中，其基础技术之一就是激光技术。并将引发一场照明技术革命，小巧、可靠、寿命长、节能半导体(LED)将主导市场。,1.4 光电信息技术的发展趋势,光电子器件的发展将是多样化的，其品种和规格将不亚于电子器件，其主要的发展趋势如下： 1. 固态化、小型化、集成化和廉价化：二极管泵浦的固体激光器、非制冷红外探测器阵列已有320*240元商品上市、平板显示器等 2工作波段范围扩大，响应速度加快 ：高灵敏度探测器、高速CCD 、大面阵双色或多色探测器、智能化探测器组件 3更加适应恶劣环境 ：耐冲击和振动、适应高、低温环境、抗辐射加

43、固技术,光电信息技术的发展趋势-1,光电信息技术应用的发展趋势 ：随着光电子器件的多样化、微型化和各种功能和技术指标的发展，光电子技术的应用将会花样翻新、层出不穷，对国民经济和军事的影响将日益深刻和巨大。 1.产品不断更新换代和推广应用：民用光纤入户、军用光电制导向智能化、光陀螺微型化 等 2.各类高新枝术结合开拓新的技术和应用：光生物学、生物光电子学、纳米技术同光电信息技术相结合发展等等 3.促进新型武器装备的出现：激光武器、激光雷达、无人驾驶飞机和战场机器人、信息共享、光纤智能蒙皮等,本章思考题与习题,1.什么是光？光波的频率和波长范围是多少？可见光的波长范围是什么？ 2.光的特性是什么？

44、 3.什么是光的辐射功率，它与什么因素有关？ 4.什么是光的干涉、衍射、偏振？ 5.什么是光的吸收、色散、散射？ 6.光电信息技术在那些方面得到发展？ 7.为什么说21世纪被称为“光电子信息时代”？,21世纪的激光技术与产业的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通信。 此外将推出品种繁多的光电子消费类产品 (如VCD、DVD、数码相机、新型彩电、掌上电脑电子产品、智能手机、手持音响播放设备、摄影、投影和成像、办公自动化光电设备如激光打印、传真和复印等)以及新型的信息显示技术产品(如CRT、LCD及PDP、 FED、OEL平板显示器等 )并进入人们的日常生活中。 激光产品已成为现代武

45、器的“眼睛“和“神经“，光电子军事装备将改变21世纪战争的格局。,激光技术,世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器。,梅曼和第一只激光器,气体激光器,固体激光器,液体激光器,半导体激光器,激光打孔,激光切割,低能激光武器,高能激光武器,全息照相,一、物理学和激光技术与工程,激光加工设备,参考资料：,光物理的基础研究孕育了激光器的诞生,19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究,1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性,1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念,1900年普朗克引入的能量量子的概念,基础性、探索性研究,光物理的基础研

46、究孕育了激光器的诞生,激光走向新技术的开发和工程应用阶段,1954年研制成第一台微波激射器,1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计,1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。,我国的第一台激光器于1961年在长春光机所创制成功,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,激光的特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化：,四十多年来，激光器的品种迅速增加： 固体激光器 半导体激光器 固体激光器（半导体激光泵浦） 化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,自由电

47、子激光器 x射线激光器 准分子激光器 金属蒸气激光器等。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,铜蒸气激光,激光器的输出水平不断提高： 中、小功率器件 高功率、高能量激光器； 脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。 连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上； 超短脉冲：纳秒 皮秒 费秒 阿秒 脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,输出激光的频率覆盖着越来越广的范围： 长至亚毫米（太赫兹） 短至x射线 激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条； 输出激光的光束质量，好的可达近衍射极限。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,激光应用

48、的开创性表现在 ： 激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提 高了百亿倍； 激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础； 光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。,可擦除小型光盘的刻录母盘, 激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度： 在工业制造中可进行精确的切削和表面改性 做精密的医疗手术 作用于微型靶实现激光核聚变。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响, 激光技术开辟了崭新的军事应用，包括： 激光瞄准、制导、测距 激光雷达 激光陀螺 激光引信 激光致盲传感器 高能强激光武器等。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,ABL,ABL,激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展,非线性光学成为一个重要研究领域：激光与介质（含大气）相互作用时产生各种非线性效应的物理本质和规律。 产生的条件、特性、机理： 受激拉曼散射 自聚焦 热晕 光学和频与倍频 相干瞬态光学效应等,激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展,非线性光学材料及非线性光学效应