光 Light

2022-11-10 11:21:58 浏览:281

定义

可见光谱范围内的电磁辐射,有时在扩展光谱区域内。

光最初被理解为一种可以被人眼感知的现象——很长一段时间,人们对它的物理起源一无所知。 在科学的早期历史中,通常将光描述为微小粒子流,这被认为与几何光学一致。 然而,越来越多的光的波动性质的证据被收集起来,导致克里斯蒂安·惠更斯的波动理论,发表于1690年,作为波动光学的基础。 进一步的系统实验,特别是多米尼克-弗朗索瓦-让·阿拉戈对所谓的阿拉戈斑点的观察,最终导致普遍接受波动光学作为光的正确描述。 在1860年代,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)将光波与电磁波等同起来,进一步证实了波的性质。 令科学界惊讶的是,在20年初发现了大量关于粒子性质的新证据。千世纪由阿尔伯特·爱因斯坦。 量子理论最终发展起来,得到了一个全面的描述,包括光的波性质和粒子性质。 因此,光现在被理解为电磁辐射 - 在大多数情况下,它用经典理论描述,但在必要时指的是量子光学(量子理论在光学中的应用)。

今天,我们区分可见光和不可见光。

狭义上的光被认为是人类可见的波长范围内的电磁辐射,即它可以激发人眼的视网膜以产生视觉印象。 然而,在技术背景下,该术语通常用于更广泛的光谱范围,其中还包括紫外线和红外光;这些是不可见的,但在许多方面具有相似的物理性质,包括它们的传播。

光通常不仅仅是电磁波。

光概念的进一步扩展源于电磁辐射与透明介质(例如与光学眼镜)或多或少强烈相互作用的考虑。 特别是在这种相互作用强烈的情况下,媒体的细节对观察到的现象起着重要作用。 例如,在某些情况下观察到速度远低于光的真空速度的慢光。 然后,人们可以将光视为一种现象,它涉及电磁场和与之相互作用的物质,其中两者都起着至关重要的作用。

光对于现代科学技术极为重要,在经济上也是如此。

光不仅是人类最基本感官之一的基础,也是光学和光子学科学和技术领域的核心现象。 因此,与光打交道对于人类在科学、技术和财富方面的进步非常重要,光一词也出现在本百科全书的数百篇文章中。 2015年被定为国际光年和光基技术年(IYL 2015)。

光的一般属性

高频,高带宽潜力

光是频率极高的电磁辐射。 对于可见光,这些频率大致在400 THz和750 THz之间,对应于400 nm至750 nm的波长范围。 (由于人眼的反应力逐渐降低,紫外线,特别是红外线的界限变得模糊。 极高的振荡频率意味着振荡周期的持续时间仅为几飞秒。

虽然一些光源发射准单色光,具有明确的光学频率,但其他光源可能具有数百太赫兹的非常大的光带宽。

光学频率太高,无法直接测量,但可以非常精确地确定。

例如,光学频率太高,无法用电子手段直接测量。 然而,如今有一些复杂的方法可以将光学频率与来自原子钟的微波频率相干地相干地联系起来。 这使得人们能够以极高的精度测量光学频率。 相反,可以使用高精度的光学频率标准,并从中精确地获得低频电子信号。

光速

任何物质和信息都不能比光速传播得更快。

光通常以极高的速度传播。 在真空中,相速度和群速度都略低于300,000公里/秒。 根据既定的物理学理论,没有粒子和信息传递可以比这更快。

在介质中传播时,光通常具有不同的相速和群速度。 在大多数情况下,特别是对于通常的光学材料,两种速度都会大大降低。 相速度因折射率而降低,而群速度因群折射率而降低。

在某些情况下,介质中光的相速度甚至大于光的真空速度(快速光→超光速透射)。 甚至群速度有时也可能高于此,但没有以超光速传输信息。 另一方面,在某些情况下,群速度变得远低于平时(慢光)。

有关更多详细信息,请参阅有关光速和超光速透射的文章。

超短光脉冲

激光的闪光可能非常短。

光具有极高带宽的潜力是产生极短光脉冲(闪光)的可能性的基础。 (不可避免地,短脉冲的带宽至少是反脉冲持续时间的数量级;因此,不可能有极短的脉冲没有大带宽,如傅里叶变换计算的那样。 对于最多几十皮秒的脉冲持续时间,术语超短脉冲很常见。 使用某些锁模激光源可以产生的最短脉冲的持续时间约为 5 飞秒 (5 fs);通过应用非线性脉冲压缩技术,可以缩短持续时间。 然后光谱大大超过可见光范围。

短波长

根据λ=c/ν的关系,高光学频率也意味着相当短的光波长,尽管光速相当高:真空中的光速略低于300,000公里/秒。

长时间的短波长光嘿掩盖了它的波性。

短光学波长的结果是衍射和干涉效应(即典型的波现象)不那么容易观察到;因此,光的波动性质在日常生活中不是很明显。 另一方面,描述光与光线传播的几何光学在许多情况下也是有用的近似。 具有高空间相干性和焦点直径不太小的准直光束可以在相当长的距离上以近似恒定的光束直径传播,并且有点类似于射线。

相干

在许多情况下,光的相干性非常重要。

光可以以两种不同的形式表现出低或高度的相干性:时间相干性和空间相干性。 虽然自然光源通常表现出两种类型的低相干性,但激光可以在空间和时间上产生极其相干的光。 有关更多详细信息,请参阅有关一致性的文章。

横向振荡;极化态

偏振光在光学技术中经常遇到。

就像其他类型的电磁辐射一样,光波是横波。 这意味着电场和磁场的潜在振荡是垂直于传播方向的方向(至少在简单的情况下,例如平面波通过均匀的各向同性介质传播)。 在某些情况下,光的电场在明确定义的方向上振荡;然后说光是线性偏振的。 在某些情况下,例如通过双折射光学材料传播,光的传播(特别是其速度)取决于其偏振方向。 在某些情况下,甚至吸收系数也取决于偏振方向(->二色性)。

还有其他可能的极化态,包括圆极化态和椭圆极化态;有关更多详细信息,请参阅有关光偏振的文章。 还有非偏振光,偏振方向随机变化,没有任何首选方向,在某些方面更难理解。

波浪性质和粒子状方面

光如何同时具有粒子和波的特性?

在许多方面,光现象可以用波动光学很好地描述。 事实上,已经在 19千世纪光已经被詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)用电磁波识别出来,因此即使是这些波的物理性质似乎也非常清楚。 因此,在 20 年初发现这是一个很大的惊喜千世纪,在某些方面,光的行为根本不像波现象所预期的那样。 例如,基于波模型很难解释光电效应。 阿尔伯特·爱因斯坦和其他人思考了光的一种粒子性质的证据,并在接下来的几年中发展了早期的量子理论。 这导致了一个更精细的光模型,最终调和了波和粒子的性质。 物理学中处理光的量子效应(例如光的挤压状态和其他具有特殊量子噪声特性的非经典光)的部分称为量子光学。

对于人类的大脑来说,用波和一种粒子(光子)来描述光仍然很困难,它们似乎属于完全不同的类别。 然而,现在人们普遍认为,目前对光的科学描述是相当令人满意和完整的,与非常广泛的观察结果非常一致,并且与任何公认的观察并不冲突。

能源运输

光传输能量。 例如,地球每天以阳光(主要是红外光)的形式接收大量能量;其中一小部分,转换成电能等有用的形式,原则上可以满足地球上的全部能源需求。 可以使用光伏电池直接将光转换为电能;转换效率通常为20%左右,但在某些情况下可能会大得多(>40%),例如串联电池。 这种技术已开始为满足人类的能源需求作出重大贡献。 虽然最初非常昂贵,但近几十年来它已成为最便宜的电能来源之一。 它的潜力将受到阳光时间变化的限制,但可以通过发展储能设施、改善电网和适应使用模式来增加。

因为光可以紧密聚焦到小点上,只要它表现出高度的空间相干性,它就可以以高度可控的方式沉积能量。 对于激光来说尤其如此,是激光材料加工潜力的根本基础。

另一个重要方面是光能在时域中的集中;强烈的超短脉冲可以具有非常短的脉冲持续时间,因此即使脉冲能量相当适中,也可以具有极高的峰值功率。 这与聚焦到微小空间区域相结合,在激光材料加工中得到了广泛的利用。

光可能很容易携带足够的能量来造成危害,特别是对眼睛。 有关详细信息,请参阅有关激光安全的文章。

动量传输

光还带有机械动量;这种动量的转移,例如在吸收过程中,会导致轻力。 角动量也可以传递。

非线性效应

虽然自然光的强度通常太低,无法在材料中表现出任何非线性效应,但与激光一起会发生显着甚至非常强的非线性。 例如,这可能导致非线性频率转换,其中光被转换为其他光学频率。 有关详细信息,请参阅有关非线性光学的文章。

光源

光可以由多种光源产生。 下面简要解释最重要的:

  • 许多自然光源和一些技术光源(如白炽灯)都是基于热辐射的。 为了有效地产生可见光,这需要远高于1000 K的温度,以便热能kB T不再远低于光子能量hν。
  • 通过用于各种气体放电灯的气体放电,可以相对有效地产生光。
  • 荧光灯也基于气体放电,但利用将产生的大部分紫外线进一步转换为荧光粉中的可见光。

激光在许多方面尤其重要,这使得它对现代技术非常重要。

  • 激光源种类繁多,跨越了非常大的参数区域,例如输出功率、光谱宽度(带宽)、连续发射或具有不同脉冲持续时间的脉冲生成等。

光的特性

有许多技术方法可以在许多不同方面表征光:

  • 有光功率计和光能计,可以应用于例如连续波和脉冲激光器。 有各种光电探测器,例如用于检测光强度的光电二极管。
  • 单色光的波长可以用波长计非常精确地测量。 用于测量光谱的光谱仪种类繁多。 光的光谱组成会影响对颜色的感知;这些方面在比色法领域进行了定量评估。
  • 激光束的空间特性,包括其光束质量,可以用各种光束轮廓仪测量。
  • 时间特性,特别是脉冲持续时间,可以使用光学自相关器和频率分辨光学门控(FROG)设置等仪器进行测量。
  • 使用不同类型的干涉仪,人们可以非常精确地测量光的各种特性,包括空间和时间特性,以及相干特性。

另请参阅有关光学计量,辐射测量和光度测量的文章。

基础光学

作          者: 泮桥成像光电商城

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