【文章內容簡介】 f refraction折射角angle of incidence入射角refracted ray 折射光線光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所The ratio of the sin ?i to sin ?t is constant 常數– This is called Snell’s law 斯涅耳定律 .sin ?isin ?t =n2n1●光的折射－ Snell’s law 光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 s分量的情形12HipEtsHtpEis ErsHrpKi KrKtθi θrθt???●光的折射－ 菲涅耳方程式 （（ Fresnel’s Equation））光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 P分量波的情形Kt?12EipHisErpEtpHrsHtsKi K?iθi θrθt?光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所利用折射定律，這四個關系式可以改寫成不顯含折射率的形式：此即為 Fresnel’s Equation（菲涅耳公式）光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所?當 EM的頻率在光頻范圍內時， ?r則是由于電子極化，因為離子極化太慢，不能響應電場。但在紅外或低頻率， ?r也有部分來自離子極化。?在真空中， ?r=1，因此?真空光速和介質光速的比值，稱為介質的折射率 n：●折射率光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所?在自由空間（真空）中，若波失為 k，波長為 ?，則在介質中有：?無論在自由空間還是在介質中，一個電磁波的頻率不會發(fā)生變化。?在象玻璃、液體等各向同性的介質中，折射率相同。?在晶體中，因為晶體各向異性，因此折射率沿晶體各方向不同。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所●折射率光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所通過透明媒質時，光速同真空中光速不同。在透射過程中，光只是引起了微粒的價電子相對于原子核的振動，引起微粒的周期性極化。極化所需要的能量（光）只是瞬時（ 10141010s）地被微粒保留，當物質回到原來的狀態(tài)時，又毫無保留的將能量發(fā)射出來?！窆獾耐干涔獾幕局R北京交通大學理學院 光電子技術研究所169。2023 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning? is a trademark used herein under license.Fractions of the original beam that are reflected, absorbed, and transmitted.●光的透射光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所在介質 ?r中以速度Ｖ傳播的光波的強度定義為電場振幅Ｅ ０ ：這里的光強是指單位體積內的場的強度．●反射系數Ｒ和透射系數Ｔ光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所●反射系數Ｒ和透射系數Ｔ光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所光與物質相互作用的機理光與物質相互作用的機理 當光照射物質時，光波電磁場將對物質中的電子產生作用，在外電場的作用下，介質原子成為電偶極子。電偶極子將隨光波的電磁場的變化產生振蕩。+ + －－ 原子的電極化：負電荷中心與正電荷中心產生偏離的狀態(tài)。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 若物質中的電子在外場作用下產生位移 r，則每個電子產生一個電偶極矩 p。 若光波隨時間作正弦變化，即它的電場強度沿兩個相反方向交替變化，電偶極子的負電荷中心將繞正電荷中心作周期性振蕩。表征電偶極子的物理量是電偶極矩。 若單位體積中有 N 個電偶極子， N 個偶極矩的矢量和為極化強度 P。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 線性光學線性光學 ：電偶極矩與外界電磁場成線性關系。 當光與物質相互作用時，光場中的電場強度使介質原子因感應而產生電偶極矩，電偶極矩疊加起來形成電極化強度。電極化強度產生極化場，極化場發(fā)出次級輻射。 若 E 以 ω作簡諧變化， P 及其產生的次級電磁輻射也以同樣的 ω作簡諧變化，因兩頻率相同，次級輻射與入射光波疊加的結果使光波的單色性不變。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 當有幾種不同頻率的光波同時與該物質相互作用時，各種頻率的光都線性獨立地反射、折射和散射，不會發(fā)生新的頻率。 在線性光學中，物質對光場的響應與光的場強成線性關系。 光的獨立性原理和疊加原理都成立。光的獨立性原理和疊加原理都成立。 非線性光學：外界作用的光場較強，電偶極子的振蕩不再具有位移與外電場成線性的關系，產生的電磁振蕩是非線性的。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所光的吸收光的吸收 光通過物質時，光波的電矢量使物質中的帶電粒子作受迫振動，一部分光能用來提供振動所需能量。光的強度隨穿入物質的深度而減少，光能被物質吸收后轉變?yōu)闊崮堋? 光強為 I 的平行光束通過一無限薄層 dx時，強度減少了d I， a 為吸收系數。 對上式進行積分，可求出在通過厚度為 l 的吸收層后的光強 I 。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 在介質中，當光的頻率與電偶極子的固有頻率一致時，發(fā)生共振現象，因而光能被強烈地吸收，在其他情況下表現為透明。一般吸收（ a 很大）選擇吸收（ a 很?。┙橘|對光的吸收： { 吸收光譜能反映材料特征。同一物質的發(fā)射光譜與吸收光譜有嚴格的對應關系。 具有連續(xù)譜的光（白光）通過選擇吸收介質后，用光譜儀可觀察不同波長的光被吸收的譜線。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所?任何一種物質對光波都會或多或少地吸收。?光在介質內傳播時，介質中的束縛電子在光波電場的作用下作受迫震動，因此光波要消耗能量來激發(fā)電子的振動，這些能量一部分又以次波的形式與入射波疊加成折射光波而射出介質。?此外，由于與周圍原子和分子的相互作用，束縛電子受迫振動的一部分能量將變?yōu)槠渌问降哪芰浚绶肿訜徇\動的能量，這部分能量的損耗就是我們所指的介質對光波的吸收。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 正常色散：在透明波段（一般吸收），折射率隨波長增加而減少。 反常色散：在不透明波段（選擇吸收），折射率隨波長增加而增加。光的色散光的色散介質材料的折射率隨波長而改變的現象。（ 1）色散與吸收正常色散的經驗公式（柯西公式）：光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所可見光可見光 吸收帶吸收帶 λnP Q R 柯柯 西西 公公 式式STO 在可見光區(qū)域色散是正常的，曲線 PQ 段符合柯西公式，若向紅外區(qū)域延伸，并接近吸收帶時，色散曲線發(fā)生偏離（ R點），過了吸收帶，曲線 ST 又恢復正常。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所（ 2）色散與經典電磁理論 光波在介質中的吸收和色散行為，可用光場使電偶極子產生振蕩的理論來描述。 介質材料的電極化率 x 決定了折射率 N 的實部 n 和虛部 κ， 從而研究介質的吸收（ κ）和色散（ n）的問題。 入射光頻率接近電偶極子的固有頻率時吸收很大，為反常色散。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所光的散射光的散射 當光束通過光學性質不均勻介質時，除了按幾何光學規(guī)律傳播的光線外，其它方向或多或少也有光線存在。 介質中各點所發(fā)射的次波是不相干疊加，不會相消為零，從而形成了散射光。（（ 1）瑞利散射）瑞利散射 散射粒子線度比波長小得多，散射光強度與入射光波長的四次方成反比。散射光中短波占優(yōu)勢，白光散射時帶青藍色。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所（（ 2）拉曼散射）拉曼散射 在研究晶體和液體內的散射時，發(fā)現一些微弱的與入射光頻率不同的散射光。 入射光中的一部分能量被介質吸收，用來激勵介質中分子的振動或轉動的能量，從而使散射光的頻率比入射光的低。 若散射光的頻率比入射光的高為反斯托克斯 拉曼散射。這種非彈性散射的可能性比彈性散射小得多。入射與散射光的頻率差反映介質能級的能量差。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所彈性散射彈性散射hγ0 hγ0γ0hγ0 hγ0γ0h（（ γ0 －－ △△ γ））h（（ γ0 ＋＋ △△ γ））γ0 －－ △△ γ γ0 ＋＋ △△ γ非彈性散射非彈性散射 受激散射：當以強光入射時，可使某些介質的散射過程具有受激發(fā)射的性質，散射光突然變強。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所（（ 3）布里淵散射）布里淵散射 光通過由熱激發(fā)產生聲波的介質時，散射光中除包含入射光頻外，其兩側還有頻移線（布里淵雙重線）。 晶體中的聲波參與了能量的交換，可用被相對運動物體產生頻移的多普勒頻移理論解釋。 生物組織是高散射物質，用光學方法顯現介質內部的物體是生物醫(yī)學的熱門課題。蛇形光層析、時間門成像術、電子全息術光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所光學中的非線性現象光學中的非線性現象 被動介質被動介質 在與強光與被動介質相互作用時，它的性質如同化學反應中的催化劑，它本身的固有頻率并不明顯起作用。如光整流、光學諧波、光混頻和光自聚焦等。 激活介質激活介質 在與強光與被動介質相互作用時，它能以自己的固有頻率去影響與它相互作用的光波，這類相互作用是一些受激散射過程如受激拉曼散射、受激布里淵散射等。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 激光具有能顯示介質非線性所需的高強度輻射場。（（ 1）激光倍頻技術）激光倍頻技術 當入射到介質中的光波 E = E0 cosωt 很強時，強光將在晶體中感生電極化強度 P光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 電極化強度中除有頻率為零的直流成分外，還有頻率為 ω的基頻成分以及頻率為 2ω的倍頻成分（二次諧波信號）。2ωω2ωω非線性晶體非線性晶體 濾光片濾光片光電倍增管光電倍增管激光激光θ匹配角 θ：入射激光和非線性晶體光軸之間的夾角光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 基頻激光在非線性晶體中產生倍頻極化波，倍頻極化波在一定厚度的晶體中一邊前進，一邊產生倍頻次波輻射。倍頻次波輻射與倍頻極化波相位相差 π/2， 它們疊加的結果形成最后出射的倍頻光。 當 θ滿足相位匹配時，許多倍頻次波輻射就因干涉相長而得到最強的倍頻光，反之，不滿足相位匹配時，倍頻次波輻射就因干涉相消而使倍頻光為零。相位匹配相位匹配光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 兩個頻率為 ω的光子與某些物質相互作用，可產生一個頻率為 2ω的光子。二次諧波（（ 2）光混頻現象）光混頻現象 當一束強光和一束弱光同時進入非線性介質時，可形成三波混頻效應，產生和頻與差頻。 當入射光波為兩種不同頻率的光 E = E01 cosωt + E02 cosωt 時，電極化強度 P 的二次項為光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 上式各項中，除了有零頻項（直流項）和倍頻項外，還有和頻項以及差頻項。這些極化波再輻射，產生相應的零頻光、倍頻光和頻光、差頻光。 四波混頻將調諧相干光源的頻率擴展到紅外和紫外，可獲得入射光波之共軛光波。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所（ 3）光學雙穩(wěn)態(tài) 光學雙穩(wěn)是指一個輸入光強存在著兩個可以相互轉換的穩(wěn)定輸出光強狀態(tài)，其輸入輸出光強關系類似磁滯回線。IiI0CDBAOIiI0OB與 C點是同一輸入光強下兩個不同的輸出光強狀態(tài)。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 雙穩(wěn)態(tài)是一種反轉觸發(fā)器件。光學雙穩(wěn)態(tài)用光脈沖作為觸發(fā)源以啟動并選擇兩種光強狀態(tài)。Ii I0T（（ I0 ）） 在 FP 干涉儀的兩反射平面的中間放入非線性介質，并使 FP 干涉儀中的一部分輸出光波反饋到非線性介質上，以改變其折射率從而改變相位和所輸出的單色光波的光強。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所 光數字計算機的核心元件是光學雙穩(wěn)態(tài)器件，如光放大器、光開關。光的基本知識北京交通大學理學院 光電子技術研究所(3)半導體的光電效應半導體的光電性質(1)光和物質的相互作用(2)半導體的光吸收北京交通大學理學院 光電子技術研究所(1)光和物質的相互作用 量子是一種具有一定能量、動量的粒子。如電子就是一種量子。量子具有波動性質，即能產生衍射和干涉的現象。