光学传感世界论文

光的世界

广告133 李睿琪

概述：Light is very important in our lives, we need light to see anything, the light from the sun is the source of all energy and warmth, plants growing almost rely on photosynthesis. Light is the basis of human life. Was the human knowledge of the outside world. Light is ideal information carrier or transmission medium. Einstein once said: "the conscious mind for 50 years, has not made me closer to the answer to" what is the light quantum."

光对有于我们生活非常重要，我们需要光来看东西，来自太阳的光线几乎是所有能量和温暖的源泉，植物依靠光合作用生长。光是人类生活的依据。光是人类认识外部世界的工具。光是信息的理想载体或传播媒质。爱因斯坦曾说过：“整整50年有意识的思考，还没有使我更接近‘光量子是什么’的答案。”

关键词：光研究发展历程应用科技

一．光的认识

光是一种物质，光具有波动性和粒子性．即所谓的波粒二象性．光是由光子组成的，光子在很多方面具有经典粒子的属性，但光子的出现几率是按波动光学的预言来分布的．由于普朗克常数极小，频率不十分高的光子能量和动量很小，在很多情况下，个别光子不易显示出可观测的效应．人们平时看到的是大量光子的统计行为，只有在一些特殊场合，尤其是牵涉到光的发射与吸收等过程时，个别光子的粒子性会明显地表现出来，波长越短、粒子性越明显。

二．光与光学

1.光学的认识

光学(optics)，是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。

2．光学的发展历程

第一个著名关于学的试验是由中国的墨子和他的弟子

们所做的。墨子知道光是以直线或者射线进行传播的。他

观察到，光通过一个遮蔽物下的小孔照射进房间，并且在

房间里投射出外部世界的模糊图像。墨子意识到这种现象

产生的原因是因为小孔让带有外界图像的一束光穿过来。

自《墨经》开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发

明透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。

1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光

分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按

一定顺序排列的光分布——光谱。它使人们第一次

接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间

上的分离是由光的本性决定的。

牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。

19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝乾涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏乾涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。

1896年洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。在洛伦兹的理论中，以太乃是广袤无限的不动的媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。

牛顿太阳光实验

墨子小孔成像试验

1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。

量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。再加上由于激光所提供的相乾光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术，形成了一个新的学科领域——光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。

在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。

三．光的应用

1、太阳能

太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。太阳能能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有清洁性、安全性、广泛性、长寿命和免维护、资源充足及经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。我们对太阳能的利用方式有光热利用、太阳能发电、光化利用、光生物利用，其中，太阳能发电主要有两种方式：光—热—电转换和光—电转换（光伏发电）。光伏发电是近些年来发展最快，也是最具经济潜力的能源开发领域。太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分，包括硅系太阳电池(单晶硅、多晶硅、非

晶硅电池)和非硅系太阳能电池等。太阳能的好处，提供非常可观的电量。第二，太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面和墙面材料，既供电节能，又节省了建材，具有良好的经济效益。

2、光合作用

光合作用（Photosynthesis ），即光能合成作用，是植物、藻类和某些细菌，在可见光的照射下，利用光合色素，将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。

植物在生命活动过程中所产生的全

部有机物质的碳骨架都来自于光合作用,

而光合作用的能量来源是可见光. 光

对植物种子萌发的影响、光对植物叶片

生长的影响、光对植物茎生长的影响、

光对植物叶绿素合成的影响、光对植物

开花的影响，换句话说光影响植物生长

的整个过程。

植物界为动物界提供能量，而光又为植物界提供能量，所以一切动物的存活都离不开光。从这点就足以显示出光的重要性。

3、光纤及光纤通信

光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件

4、光在其他方面的应用

光合作用过程图

光在医疗保健方面的应用主要有B超仪、光波房、光波发汗房、X光机等。随着对光的研究的深入把光应用到医疗，为人类的健康做出了很多贡献。可以使人们更早的发现疾病，让治疗过程更加简单，等等。如X光机产生的X射线应用于医学诊断，主要依据X射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用。还有其生物效应，应用不同能量的X射线对人体病灶部分的细胞组织进行照射时，即可使被照射的细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些疾病，特别是肿瘤的治疗目的。在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，为防止X射线对人体的伤害，必须采取相应的防护措施。以上构成了X射线应用于医学方面的三大环节——诊断、治疗和防护。

光在化学方面，主要是在分析化学方面扮演着重要的角色。他是分析化学中光分析法的重要手段，光分析法是基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法。光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位。

光的应用还有很多，涉及到的方面极其广泛。相信还会有很多的应用会被发现。

参考文献：

[1]闫晓星王洪鹏，《殊途同归的光本性之争》，《现代物理知识》2006年第2期.

[2]约翰·范顿，《从牛顿的彩虹到冷冻光发现光》，上海科技文献出版社，2009.

[3]华家宁，《现代光学技术及应用》，江苏科学与技术出版社2007.

[4]朱自强，《现代光学教程》，四川大学出版社，2007.

[5]陈家壁，《光信息科学技术原理及应用》，高等教育出版社，2004.