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纤维光学光导
光学小知识

July 28,2020.

光学小知识

 

光的概念

 

光是一个物理学名词,其本质是一种处于特定频段的光子流。由光子等基本粒子组成,同时又是一种电磁波,具有波粒二象性,我们平时看见的光是指400nm-700nm光谱间的可见光。

 

      光色波长(nm)     带表波长(nm

          780-630             700

          630-600             620    

          600-570             580

      绿    600-570             550

          500-470             500

          470-420             470

          420-380             420

 

光的特征

 

光同时具备以下四个重要特征:

 

1、在几何光学中,光以直线传播。笔直的光柱和太阳光线都说明了这一点。

2、在波动光学中,光以波的形式传播。光就像水面上的水波一样,不同波长的光呈现不同的颜色。

3、光速极快。在真空中为299792458≈3×10⁸m/s,在空气中的速度要慢些。在折射率更大的介质中,譬如在水中或玻璃中,传播速度还要慢些。

4、在量子光学中,光的能量是量子化的,构成光的量子(基本微粒),我们称其为光量子,简称光子,因此能引起胶片感光乳剂等物质的化学变化

 

 

光的传播规律

 

光在同种均匀介质中沿直线传播。小孔成像、日食和月食还有影子的形成都证明了这一事实。 撇开光的波动本性,以光的直线传播为基础,研究光在介质中的传播及物体成像规律的学科,称为几何光学。在几何光学中,以一条有箭头的几何线代表光的传播方向,叫做光线。

几何光学把物体看作无数物点的组合(在近似情况下,也可用物点表示物体),由物点发出的光束,看作是无数几何光线的集合,光线的方向代表光能的传递方向。

 

几何光学中光的传播规律有三:

(1)光的直线传播规律已如上述。大地测量也是以此为依据的。

(2)光的独立传播规律。两束光在传播过程中相遇时互不干扰,仍按各自途径继续传播,当两束光会聚同一点时,在该点上的光能量是简单相加的。

3)光的反射和折射定律。光传播途中遇到两种不同介质的分界面时,一部分反射,一部分折射。反射光线遵循反射定律,折射光线遵循折射定律

 

 

光的散射、反射与吸收

 

光散射

根据科学家的测定,蓝色光和紫色光的波长比较短,相当于小波浪;橙色光和红色光的波长比较长,相当于大波浪。当遇到空气中障碍物的时候,蓝色光和紫色光因为翻不过去那些障碍,便被散射得到处都是,布满整个天空,就是这样被散射成了蓝色。这是130年前诺贝尔奖获得者瑞利发现的。当太阳落山时的傍晚,天空不显现蓝色而显现红色,正在下落的太阳变成暗红色,也是一样的道理。原来在傍晚温度下降,湿度增加,颗粒物浓度升高,光遇到的更多的微粒,使得阳光中的紫色和蓝色的部分看不见了,仅留下一点点颗粒物吸收的橙红色光线经再次辐射而形成的光线,因而出现红色或暗红色。

 

光反射

太阳光在照射地球过程中,一部分辐射被大气层反射,一部分被陆地、水面等反射,还有一部分被冰雪反射。为什么地球赤道如此炎热,而南北两极如此寒冷?从太阳照射间距离和角度分析,其吸收的热能不可能相差如此之大。主要是地磁场的作用引起的,由于两极地磁场磁力线非常密集,说明其磁场比较大,磁力线是直线的,光进入磁场中沿磁力线传播,难以交叉碰撞,反射非常强烈,产生热非常少。加上两极人类活动少,排放的固体颗粒物少,空气中其他气体分子少,光辐射气体、固体或液体进行散射也少,因此,其温度非常低,最终出现寒极。

 

光吸收

电磁辐射与物质的作用本质是物质吸收光能后发生跃迁。跃迁是指物质吸收光能后自身能量的改变。因这种改变是量子化的,故称为跃迁。不同波长的光,能量不同,跃迁形式也不同,因此有不同的光谱分析法  

 

光的效应 

当紫外线照射到金属的表面时,金属内部的自由电子会逸出金属表面,这种紫外线的光致电子发射构成了紫外线光电效应的一部分。紫外线的光电效应是光能转换为电能的一种方式。光电效应分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。紫外线照射能产生光电效应的材料除了金属、半导体外,还有某些气体和一些化学物质,人与动植物被照射后也能产生光电效应。

 

光化学效应 

紫外线照射某些物质时能产生光化学反应。波长在200~400纳米的紫外线所具有的能量(3~6eV)正是许多物质(化学键能也在3~6eV的范围内)吸收后产生光化学反应所需的能量。尤其是短波紫外线的光子能量较大,对光化学反应特别有效,能直接引起一些物质的化合和分解。

 

声光效应

介质中存在弹性应力或应变时,介质的光学性质(折射率)将发生变化,这就是弹光效应。当超声波在介质中传播时,由于超声波是一种弹性波,将引起介质的疏密交替变化,或者说引起弹性形变,由于弹光效应,将导致介质光学性质发生变化,从而影响光在其中的传播特性。通常,把超声波引起的弹光效应叫声光效应。

 

 

光源 

正在发光的物体叫光源,正在这个条件必须具备,光源可以是天然的或人造的。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、X射线等不可见光)的物体。

光源主要可以分为三类。

第一类 是热效应产生的光

太阳光就是很好的例子,因为周围环境比太阳温度低,为了达到热平衡,太阳会一直以电磁波的形式释放能量,直到周围的温度和它一样。

 

第二类是原子跃迁发光。

荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光。此外霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的特征谱线。科学家经常利用这个原理鉴别元素种类。

 

第三类是物质内部带电粒子加速运动时所产生的光。

譬如,同步加速器工作时发出的同步辐射光,同时携带有强大的能量。另外,原子炉(核反应堆)发出的淡蓝色微光(切伦科夫辐射)也属于这种

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