光电基础知识培训

1,光电基础知识 培训课程,2,课程安排,几何光学,波动光学,光纤通讯基础,光学材料,反射 折射 全反射,干涉 衍射 偏振,光纤 激光器 光无源器件,光学玻璃 光学晶体 光学塑料,3,光-Light， 是我们最熟悉的现象之一， 没有光，人类就无法生存。,万物生长靠太阳！,地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！,4,生活中，大自然中有关光的现象无处不在,佛光,彩虹,海市蜃楼,日晕,5,光学的应用领域越来越广泛,显微镜,激光制导,潜望镜,红外雷达,哈勃太空望远镜,光纤通讯,6,光学的发展历史, 萌芽时期 （前5世纪-15世纪末 ）, 几何光学时期 （16世纪初-18世纪末）, 波动光学时期 （19世纪初-19世纪末）, 现代光学时期 （20世纪60年代起- ）, 量子光学时期 （19世纪末-20世纪初）,7,光又是什么？,什么是光？,Light is color!,Light is energy!,Light is wave?,Light is particle ?,8,光的简单认识,光是一种重要的自然现象，我们之所以能够看到客观世界中班驳陆离，瞬息万变的景象，就是因为眼睛接收到了物体发射，反射或散射的光。,光是一种波，同时也是一种粒子，也就是说既可以把光看成光波，也可以将光看作是由光子组成的粒子流光具有波粒二象性,光是一种电磁现象，也就是说光是一种波长较短的电磁波,9,电磁波谱（electromagnetic wave spectrum ）,实验证明光同无线电波、X射线、射线一样都是电磁波，仅是它们的频率不同而已，电磁波的波长、频率和传播速度三者之间的关系为：,因为各种频率的电磁波在真空中的传播速度相等，所以频率不同的电磁波，它们的波长也就不同。频率高的波长短，频率低的波长长。,-按电磁波的波长（或频率）大小的顺序把它们排列成谱,速度 = 波长×频率,10,由无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线（X射线）、射线合起来构成范围非常广阔的电磁波谱,在电磁波中，能被眼睛看到的，只是一个很窄的波段，通常叫做可见光，在可见光 范围内不同波长的光引起不同的颜色感觉。,（400-760nm）,11,不同的电磁波产生的机理不同：,无线电波,红外线、可见光、紫外线,X射线,射线,是振荡电路中自由电子的周期性的运动产生的,是原子的外层电子受到激发后产生的,是原子的内层电子受到激发后产生的,是原子核受到激发后产生的,12,无线电波,波长范围,特性,应用,波长大于1mm,传播过程中波动性明显,无线电技术,13,红外线,波长范围,特性,760nm×106nm,热效应,应用,加热物体、红外摄影、探测物体、红外遥感技术等,红外侦察,14,可见光,波长范围,特性,应用,400nm760nm,能作用于眼睛并引起视觉,照明、摄影等,15,可见光光谱,可见光波长与颜色的对应关系如下,7600,6300,6000,5700,5000,4500,4300,4000,单位：埃,16,紫外线,波长范围,5nm 400nm,特性,荧光效应、化学作用、杀菌消毒,应用,感光技术、医用消毒等,紫外线杀菌灯,紫外光皮肤病治疗仪,17,X射线和射线,波长范围,X射线：10-12m 10-9m 射线：小于 10-12 m,特性,穿透力很强,应用,检查金属部件，医学透视等,医学透视,CT 机,18,太阳辐射,举例：,阳光含有：无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、射线 太阳辐射的能量集中在可见光、红外线、紫外线三个区域 阳光中波长在5.5x10-7m的黄绿光附近，辐射的能量最强，这区域恰好是人眼最敏感,19, 光是一种波长较短的电磁波：400nm760nm, 任何波长的电磁波在真空中的传播速度都是相同的：C = 3×108m/s, 光的颜色是由电磁波的频率决定的不同频率的色光在真空中波速相同，在介质中波速不同同一色光在不同介质中，频率（颜色）不变，波长和波速都要改变在同一介质中，频率越高，波速越小,单位换算：1m =103mm=106m=109nm=1010 （埃）,小 结, 光具有波粒二象性：光具有粒子性，这种粒子称做“光量子”，简称“光子”,20,几何光学,21, 几何光学, 采用光的直线传播概念，研究光传播的基本规律和光通过光学系统成像的原理和应用 按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性，那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光抽象成一条条光线，然后按此来研究光学系统成像。, 内容,光的直线传播定律 光的独立传播定律 光的反射和折射定律,22,1.1 几何光学基本定律（一）光的直线传播定律：光在均匀媒质里沿直线传播在点光源的照射下，在不透明 的物体背后出现清晰的影子，影子 的形状与光源为中心发出的直线所 构成的几何投影形状一致物体的影子,光只有在均匀媒质里沿直线传播，在非均匀媒质中光线将因折射而弯曲,23,在一个暗箱的前壁上开一小孔， 由物体上各点发出的光线将沿直线 通过小孔，在暗箱的后壁上形成一 倒立的像,小孔成像,注意：光线只在均匀媒质中沿直线传播， 在非均匀媒质中光线将因折射而弯曲,日食形成过程,24,（二）光的独立传播定律不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，彼此互不影响。在光线的相会点上，光的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后，各个光束按原方向传播。,局限性：没有考虑光的波动性质,25,（三）光的反射和折射定律,斯涅耳折射定律n1 sin = n2 sin ,这可是重点啊！,光的反射、折射定律：反射线与折射线都在入射面内 反射角等于入射角， = 折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒质和光的波长有关的常数,26,n1,n2,入射线,反射线,折射线, - 入射角 - 反射角 - 折射角,物质的折射率n=c/v-描述介质中光速减慢程度的物理量,注意：几何光学三定律是近似的，它只有在空间障碍物以及反射和折射界面的尺寸远大于光的波长时成立利用三定律来设计光学仪器,法线,真空折射率为1，在标准压力下，20摄氏度时空气折射率为1.00028,27,（四）全反射现象,全反射现象的定义：光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射和反射，但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，这种现象称为光的全反射现象发生全反射的条件可归结为： 、光线从光密介质射向光疏介质 、入射角大于临界角,重点,28,C.全反射现象的产生过程：,a、一般情况下,斯涅耳折射定律n1 sin = n2 sin ,b、n1n2,c、n1n2,应用到的 公式,入射光在两种均匀介质的分界面产生折射和反射,入射角折射角,入射角折射角,29,=90°,n1sin = n2sin,全反射条件：n1n2 sinsin 当=90°时，此时的称为临界角 当入射角大于临界角时发生全反射现象,n1,n2,就这么 简单！,分析,30,D. 两个全反射原理应用的例子：、全反射棱镜,i、改变光线传播方向 ii、在光学仪器中，代替平面反射镜，减少反射时的光能损失,等腰直角三角棱镜,、光学纤维,光纤线传输光信号,光线,纤芯和包层,涂覆层,31,1.2 反射棱镜、折射棱镜、透镜,反射棱镜,简单棱镜,屋脊棱镜,复合棱镜,角锥棱镜,A：反射棱镜-将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件,32,B：折射棱镜-是通过两个折射面对光线的折射进行工作的，两折射面的交线称为折射棱,应用：棱镜光谱仪，研究光谱,棱镜的色散,利用棱镜对不同波长的光有不同的折射率这一性质,33,C：透镜 -由两个折射面包围一种透明介质（如玻璃）所形成的光学零件,34,光路图,35,实物图片,36,光的三原色,由右图可知，颜料三原色 加在一起可变成黑色。 顏料三原色混合： 洋红+青=蓝 青+黃=绿 黄+洋红=红 洋红+青+蓝=黑,红、绿、蓝,能够匹配所有颜色的三种颜色称为三原色,37,波动光学,38, 波动光学, 以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律 以波动理论研究光的传播及光与物质相互作用的光学分支, 内容,干涉衍射偏振,39,40,41,电磁波：随时间变化的电场在周围空间产生一个涡旋的磁场，随时间变化的磁场在周围空间产生一个涡旋的电场，它们互相激发，交替产生，在空间形成统一的场电磁场，交变电磁场在空间以一定的速度由近及远的传播，就形成了电磁波,电磁波最主要的性质之一就是能够传输能量，电磁波的传播过程伴随着能量在空间的传递光波既然是电磁波，它的传播过程就是能量传递的过程，而光源发光实际上是物体不断向外辐射电磁波的过程,42,电磁波在真空中的传播速度为 3×108m/s,振动：物体在一定的位置附近来回重复的运动波动是振动的传播过程，振动是产生波动的根源,波动最基本的形式有两种：横波和纵波,水面波是横波，声波是纵波，电磁波也是一种横波,43,横波：振动方向和传播方向垂直的波举例：将一根绳子一端固定，呈水平状，手握绳子另一端做上下振动，凹凸传播,图：绳子形成的横波,纵波：振动方向和传播方向相同的波举例：用手迅速而有节奏的推压弹簧的另一端，可以看到弹簧上有的部分疏，有的部分密，疏密相间，沿着弹簧向前传播,图：弹簧形成的纵波,机械振动的传播过程形成机械波，电磁振动（电磁振荡）的传播过程形成电磁波,横波和纵波演示,44,光的电磁理论,A: 光是某一波段的电磁波,在真空中电磁波的传播速度是,= 2.99794×108 m/s 3×108 m/s,45,C:可见光的波长范围和频率范围。（真空中）,D:光波是横波（振向和传向垂直）,实验证明：对人眼视觉和感光仪器起作用的主要是光的振动部分， 所以，一般用电振动矢量来代表光的振动。,光在不同介质中，光速不同，但频率不 变，所以波长变， 波长一般指真空中的波长。,46,光波的干涉,干涉：在两个（或多个）光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分布的现象称为光的干涉现象,干涉现象：对于光波来说，干涉现象往往表现成亮暗相间的条纹，干涉现象的显著程度可用干涉条纹的反衬度来描述：= （IM-Im)/ (IM-Im),01,其中IM和Im分别是干涉场中光强的极大和极下值,两束波形成干的 条件： 频率相同 振动方向相同 相位差恒定,重点,47,48,D,相邻两条明（暗）纹的间距：,49,迈克耳孙干涉仪光路图,法布里-泊罗干涉仪的结构和光路,两种常用的干涉仪介绍,50,干涉的应用,测表面不平度,1:测波长：已知、n，测L可得,2:测折射率：已知、，测L可得n,3:测细小直径、厚度、微小变化,牛顿环,1：测透镜球面的半径R,2：测波长,3：检验透镜球表面质量,51,光波的衍射,衍射现象：当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍射,52,一切波都能发生衍射，通过衍射把能量传到阴影区域，能够发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸跟波长差不多,取一个不透光的屏，在它的中间装上一个宽度可以调节的狭缝，用平行的单色光照射，在缝后适当距离处放一个像屏 ,激光束,像屏,调节狭 缝宽窄,光的衍射,53,光的衍射,衍射装置实物图,54,1、中央亮纹宽而亮,2、两侧条纹具有对称性，亮纹较窄、较暗,单缝衍射条纹的特征,光的衍射,55,A,B,S,1、 孔较大时屏上出现清晰的光斑,