光学与我们的生活课件.pptx

1、光学与我们的生活光学与我们的生活 Light and Optics in our daily life 生活中的光与光生活中的光与光学学 About the Optics -Optical Science 光学光学 Understanding the Light 对光的认识对光的认识 The Origin of light 光的产生光的产生 Color Display 彩色显示器彩色显示器 Microscopic and imagine 显微镜与成像显微镜与成像 Laser 激光激光Nanomaterials 纳米材料纳米材料生活中的光与光学生活中的光与光学45同星珊瑚同星珊瑚海洋生物海洋生物

2、67The on the sky in a photograph.Left picture is taken without polarizer.For the right picture,filter was adjusted to eliminate certain polarizations of the scattered blue light from the sky.8When oil or fuel is spilled,colorful patterns are formed by.910Indicator11液晶平板液晶平板LCD显示器显示器等离子体平板等离子体平板PDP显示

3、器显示器阴极射线管显示阴极射线管显示CRT12CameraAmplifier13Glasses14TelescopeMicroscope15 哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜SpaceTelescope16斯必泽空间望远镜（斯必泽空间望远镜（Spitzer Space Telescope，缩写为，缩写为SST）是美国宇航局是美国宇航局2003年发射的一颗红外天文卫星，是大型轨道天年发射的一颗红外天文卫星，是大型轨道天文台计划的最后一台空间望远镜文台计划的最后一台空间望远镜17天体物理天体物理紧密衔接紧密衔接粒子物理粒子物理光学已应用到物理学的各个空间尺光学已应用到物理学的各个空间尺度度18Opti

4、cslOpticsis.lItinvolvesthe,includingitswithmatterandtheofinstrumentsthatuseordetectit.lItusuallydescribesthebehaviorofvisible,ultraviolet,andinfraredlight.20Models：lightasacollectionofandbendwhentheypassthroughorreflectfromsurfaces.：morecomprehensive,itincludeseffectssuchasdiffractionandinterference

5、thatcannotbeaccountedforingeometricoptics.21NatureofLightlLighthasbothwave-likeandparticle-likeproperties.Explanation：quantum mechanics.lParticle-likeproperty：thelightisacollectionofphotons.lWave-likeproperty:thelightisanelectro-magneticwavethathasthecharacteristicsofwaves.2224Highfrequency(blue)lig

6、htisdeflectedthemost,Lowfrequency(red)lightisdeflectedtheleast.252627Visible spectrum from violet(400nm)to red(700nm)from left to right:Gamma rays,X-rays,ultraviolet rays,visible spectrum,infrared,microwaves,radio waves.28Spectrum of sunlight29TheOriginoflight光的产生光的产生Nuclear model of atom量子理论量子理论能级位

7、置、跃迁几率能级位置、跃迁几率能级位置能级位置谱线频率谱线频率/荧光波长荧光波长本征函数本征函数谱线强度谱线强度/跃迁几率跃迁几率31能级结构 Energy levels32跃迁过程 Optical transition3334Mechanismoftheup-conversionfromPr3+:LaF3Interactions among Ln3+ions result in the energy transfer between the ionsDAPhononassistedenergytransfer 35Resultoftransitionbetweenenergylevels36

8、37液晶平板显示器液晶平板显示器LCD等离子体平板显示器等离子体平板显示器PDP阴极射线管显示阴极射线管显示CRT彩色显示器工作原理彩色显示器工作原理38基本概念基本概念1 1 l三种选定的颜色三种选定的颜色.各色相互独各色相互独立，其中任一种不能由另外立，其中任一种不能由另外两种混合而得；当它们以不两种混合而得；当它们以不同比例混合就可得到不同的同比例混合就可得到不同的颜色。颜色。l三原色的选择在原则上是任三原色的选择在原则上是任意的，但验研究发现，人的意的，但验研究发现，人的眼睛对红、绿、蓝三种颜色眼睛对红、绿、蓝三种颜色反应最灵敏，而且它们的配反应最灵敏，而且它们的配色范围广，色可以随意

9、配出色范围广，色可以随意配出自然界中的大部分颜色，因自然界中的大部分颜色，因此在大多数显示器中选用红此在大多数显示器中选用红（R R）、绿（）、绿（G G）、蓝（）、蓝（B B）作）作为三原色为三原色.39基本概念基本概念2 2 象素是象素是指组成图像的最小单位，也即发光指组成图像的最小单位，也即发光“点点”。荧光屏上按一定方式紧密排列的红、绿、蓝三种颜色的荧光荧光屏上按一定方式紧密排列的红、绿、蓝三种颜色的荧光粉点或荧光粉条，称为粉点或荧光粉条，称为荧光粉单元荧光粉单元，相邻的红、绿、蓝荧，相邻的红、绿、蓝荧光粉单元各一个为一组，学名称之为光粉单元各一个为一组，学名称之为像素（像素（pixe

10、l pixel）。每个。每个像素中都拥有红、绿、蓝像素中都拥有红、绿、蓝(R(R、G G、B)B)三原色三原色.40基本概念基本概念3 3点距点距(Dot Pitch)(Dot Pitch)、分辨率、分辨率(Resolution)(Resolution)l点距点距是指屏幕上两个相邻是指屏幕上两个相邻荧光点的距离，点距越小，荧光点的距离，点距越小，显示器显示图形越清晰。显示器显示图形越清晰。常见点距规格有常见点距规格有0.31mm0.31mm、0.28mm0.28mm、0.25mm0.25mm等，等，某些产品甚至达到某些产品甚至达到0.21mm0.21mm。l分辨率分辨率指屏幕上象素的数指屏幕上

11、象素的数目。数目越大，分辨率也目。数目越大，分辨率也就越高，显示器的性能越就越高，显示器的性能越好。好。41 主要构成主要构成：电子枪：电子枪(Electron gun)(Electron gun)、偏转线圈、偏转线圈(Deflection coils)(Deflection coils)、荫罩、荫罩(Shadow mask)(Shadow mask)、荧光、荧光粉层粉层(phosphor)(phosphor)和玻璃外壳和玻璃外壳(荧光屏荧光屏)。l显象管显象管l电子枪电子枪CRTCRT显示器显示器 (阴极射线显像管阴极射线显像管)42CRTCRT显示器工作原理显示器工作原理 显像管内的电子枪

12、所发射的电子束穿过阴极罩上的小孔，显像管内的电子枪所发射的电子束穿过阴极罩上的小孔，聚焦在内层涂满了无数三原色（聚焦在内层涂满了无数三原色（RGBRGB，红绿蓝）荧光粉的玻，红绿蓝）荧光粉的玻璃屏幕上，使荧光粉激发并发光，最终在荧光屏形成有电子璃屏幕上，使荧光粉激发并发光，最终在荧光屏形成有电子束位置所控制的显示画面。束位置所控制的显示画面。43l原理：原理：利用液晶的光学各项异性，在通电时导通，使利用液晶的光学各项异性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。常用液晶为排列则变得混乱，阻止光线通

13、过。常用液晶为NematicNematic类型。类型。l特点：体积小、重量轻、省电、不产生高温特点：体积小、重量轻、省电、不产生高温,低辐射、低辐射、画面柔和不伤眼等。画面柔和不伤眼等。l响应时间反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应响应时间反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，此值愈小愈好。响应时间越小，播放动态影的速度，此值愈小愈好。响应时间越小，播放动态影像时才清晰无残影，不会产生影像拖尾的现象。像时才清晰无残影，不会产生影像拖尾的现象。液晶液晶显显示器示器LCDLCD（Liquid Crystal DisplayLiquid Crystal Display）44LCDLCD显示

14、器显示器 工作原理工作原理l液晶液晶，即液态晶体。是一种在常温条件下呈现出既有液体的，即液态晶体。是一种在常温条件下呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各向异性的有机化合物流动性，又有晶体的光学各向异性的有机化合物.当通电时分当通电时分子排列有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止子排列有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。光线通过。lLCDLCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间，利用技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间，利用LCLC在在电场作用下的光学旋转性质调节通过电场作用下的光学旋转性质调节通过LCDLCD平板的光强。即当平板的光强。即当给液晶上加一个电

15、压时，液晶分子便会转动，从而改变光透给液晶上加一个电压时，液晶分子便会转动，从而改变光透过率过率,从而实现多灰阶显示。从而实现多灰阶显示。因此因此 LCDLCD是依赖极化滤光器是依赖极化滤光器(片片)和光线本身。和光线本身。l对于更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显对于更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。示的色彩过滤层。通常，在彩色通常，在彩色LCDLCD面板中，每一个像素都面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。红色，绿色，或蓝色的过滤器。这

16、样，通过不同单元格的光这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。45LiquidCrystalPixel:ON46LiquidCrystalPixel:OFF47LCDLightingTheory48Operationoftwistednematicfieldeffectmodeliquidcrystalcell.49LCD LCD 主要结构主要结构冷阴极荧光灯作为背光源冷阴极荧光灯作为背光源50薄膜晶体管液晶薄膜晶体管液晶显显示示 TFT LCD TFT LCD(Thin Film Transistor LCD)(Thin Film Tran

17、sistor LCD)TFT TFT是有源矩阵类型液晶显示器是有源矩阵类型液晶显示器,在其背部设置特殊光管在其背部设置特殊光管,可可以主动对屏幕上的各个独立的像素进行控制以主动对屏幕上的各个独立的像素进行控制,这也是所谓的这也是所谓的主动矩阵主动矩阵TFTTFT的来历。的来历。TFT LCDTFT LCD具有三明治状的结构，液晶具有三明治状的结构，液晶填充在两片玻璃之间。笔记本液晶屏常用的是填充在两片玻璃之间。笔记本液晶屏常用的是TFTTFT。51LEDLED背光液晶显示器背光液晶显示器l“LEDLED背光液晶显示器背光液晶显示器”即目前市面上所谓的即目前市面上所谓的LEDLED显示器。显示器

18、。l仍属液晶显示器，只是背光源不一样而已：仍属液晶显示器，只是背光源不一样而已：它它用用LEDLED代替了传统的液晶背光模组。代替了传统的液晶背光模组。l因为采用了固态发光器件，对环境的适应能力因为采用了固态发光器件，对环境的适应能力非常强，所以非常强，所以LEDLED的使用温度范围广、低电压的使用温度范围广、低电压、耐冲击。而且、耐冲击。而且LEDLED光源没有任何射线产生，光源没有任何射线产生，低电磁辐射、无汞可谓是绿色环保光源。低电磁辐射、无汞可谓是绿色环保光源。52有机发光显示器有机发光显示器 OLEDOLED Organic Light-Emitting Diode Organic

19、Light-Emitting Diodel也称有机发光二极管。也称有机发光二极管。是通过电流驱动有机薄膜本身发光，发的光可为红、绿、蓝、白等单色，同样也可以达到全彩的效果。l发光机理：在外界电压的驱动下，由电极注入的电子和空穴在有机材料中复合而释放出能量，并将能量传递给有机发光物质的分子使其激发，从基态跃迁到激发态，当受激分子回到基态时辐射跃迁而产生发光现象。lOLED是一种不同于CRT，LED和液晶技术的全新发光原理。是与LED背光完全不同的显示技术。53LEDLED显示屏（显示屏（LED panelLED panel）lLED显示屏（LED panel），通过控制半导体发光二极管的显示方式

20、，用来显示文字、图形图像、动画、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。lLEDLED显示器结构及分类显示器结构及分类：通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。54等离子显示器等离子显示器PDPPDP（Plasma Display PanelPlasma Display Panel）lPDP又称电浆显示器,是采用了近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术的新一代显示设备，是继CRT、L

21、CD后的最新一代显示器。其特点是厚度极薄，分辨率佳.l优越性：不受磁力和磁场影响，具有机身纤薄、重量轻、屏幕大、色彩鲜艳、画面清晰、亮度高、失真度小、视觉感受舒适、节省空间等优点。纯平面图像无扭曲,环保无辐射。55PDP PDP 的工作原理的工作原理 是一种利用气体放电的显示技术，其工作原理与日光灯很相似。它以等离子管作为发光元件以等离子管作为发光元件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕，每个，大量的等离子管排列在一起构成屏幕，每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体，在等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体，在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等

22、离子管小室中的气体会产生紫外光，并间的等离子管小室中的气体会产生紫外光，并激发平板显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出激发平板显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和色彩的图像，类似显像管发光。和色彩的图像，类似显像管发光。56等离子管等离子管lPDPPDP屏幕上每一个屏幕上每一个等离子管等离子管对应对应一个一个像素像素，屏幕以玻璃作为基板，屏幕以玻璃作为基板，基板间隔一定距离，四周经气，基板间隔一定距离，四周经气密性封接形成一个个放电空间。密性

23、封接形成一个个放电空间。放电空间内充入放电空间内充入氖、氙等混合惰氖、氙等混合惰性气体作为工作媒质性气体作为工作媒质。在两块玻。在两块玻璃基板的内侧面上涂有金属氧化璃基板的内侧面上涂有金属氧化物导电薄膜作物导电薄膜作激励电极激励电极。lPDPPDP技术按其工作方式可分为电技术按其工作方式可分为电极与气体直接接触的直流型极与气体直接接触的直流型PDPPDP和电极上覆盖介质层的交流型和电极上覆盖介质层的交流型PDPPDP两大类。两大类。57Microscopicandimagine显微镜与成像显微镜与成像光学显微镜光学显微镜59复膜显示出了标本蚀刻面的形态复膜显示出了标本蚀刻面的形态，在电镜下得到

24、的影像即代表标，在电镜下得到的影像即代表标本中细胞断裂面处的结构。本中细胞断裂面处的结构。人类血细胞SEM照片人类血细胞人类血细胞SEMSEM照片照片60TEMTEM，SEM，STEM61IBM的实验室用的实验室用铁原子拼出的汉铁原子拼出的汉字字“原子原子”62光学及电子显微镜光学及电子显微镜 Optical Microscope TEM SEMOpticalMicroscopeTEMSEM63显微镜工作原理显微镜工作原理leyepiecelLight sourcellenseslsamplelobjectivelfluorescent screen and image on itlOptic

25、 MicroscopelElectron sourcelMagnetic lenseslprojectorllenselBeam detectorllensldetectorl Screen lImage viewed lTEMlSEM64The Most Important Progresses Made in Science and Technology During the 20th CentenarylLaser technology（激光技术）（激光技术）lSemiconductor（半导体）（半导体）lComputer（计算机）（计算机）lBiotechnology（生物技术）（生

26、物技术）lNuclear technology（核技术）（核技术）lNanotechnology(纳米技术纳米技术)lAerospace technology（航空航天技术）（航空航天技术）661860年，年，Maxwell建立了光的电磁理论建立了光的电磁理论1900年，年，Plank提出了光量子假说提出了光量子假说1916年，年，Einstein提出受激辐射理论提出受激辐射理论1953年，年，Towns建立了第一台微波激射器建立了第一台微波激射器(maser)1958年，年，Towns,Shawlow开始研制激光器开始研制激光器1960年，年，Maiman制成第一台红宝石激光器制成第一台红宝

27、石激光器1961年，长春光机所制成我国第一台激光器年，长春光机所制成我国第一台激光器-1965年，激光光谱用于大气污染分析；半导体激光器用于年，激光光谱用于大气污染分析；半导体激光器用于激光通讯；激光通讯；CO2激光器用于机关熔炼、激光切割、激光钻孔激光器用于机关熔炼、激光切割、激光钻孔-1969年，月球上设置激光反射器；地面与卫星通讯年，月球上设置激光反射器；地面与卫星通讯1982年，激光全息术诞生年，激光全息术诞生80-90年代，激光外科手术、通讯、光盘、激光武器年代，激光外科手术、通讯、光盘、激光武器光物理研究孕育激光器的诞生光物理研究孕育激光器的诞生67激光技术与工程的迅速发展及其深刻

28、影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光的激光的特性特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化：使之在光学应用领域带来了革命性的变化：方向性单色性相干性高亮度68激光器的品种迅速增加：激光器的品种迅速增加：固体激光器、半导体激光器、固体激光器固体激光器、半导体激光器、固体激光器（半导体激光泵浦半导体激光泵浦）化学激光器化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、激光、氧碘化学激光器、CO2激光、燃料激光、氦激光、燃料激光、氦氖激光氖激光）、）、自由电子激光器、自由电子激光器、x x射线激光器、射线激光器、准分子激光器、准分子激光器、金属蒸气激光器等。金属蒸气激光器等。激光技术与工程的迅速发展

29、及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响铜蒸气激光铜蒸气激光69激光器的输出水平不断提高：激光器的输出水平不断提高：中、小功率器件中、小功率器件波长：波长：线（几千条分立谱线）线（几千条分立谱线）脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲激光。脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲激光。u连续的高能激光单次输出能量已达连续的高能激光单次输出能量已达106J以上；以上；u超短脉冲：纳秒超短脉冲：纳秒u脉冲功率密度则可高达脉冲功率密度则可高达1020W/cm2以上。以上。激光技术与工程响激光技术与工程响70激光应用的开创性表现在激光应用的开创性表现在：激光光谱技术比传统的分

30、辨率提高了百万倍，灵敏度提激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提 高了高了百亿倍；百亿倍；激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；激光技术与工程激光技术与工程l布满全球的光纤网，加上卫星通信网，布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础；形成了信息高速公路的基础；l光存储、激光全息、激光照排、打印及光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。的信息服务。可擦除小型光盘的刻录母盘可擦除小型光盘的刻录母盘71 激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度：激光可在很小的区域上聚

31、焦很高的功率密度：在工业制造中可进行精确的切削和表面改性在工业制造中可进行精确的切削和表面改性 做精密的医疗手术做精密的医疗手术 作用于微型靶实现激光核聚变。作用于微型靶实现激光核聚变。激光技术与工程激光技术与工程72 激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光瞄准、制导、测距激光瞄准、制导、测距激光雷达激光雷达激光陀螺激光陀螺激光引信激光引信激光致盲传感器激光致盲传感器高能强激光武器等。高能强激光武器等。激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响ABLABL73Nanomaterials纳米材料纳米材料Bulk-3DNano-particles/Quantumdo

32、tsPlane-2DLine-1DSizeisintherangeof101to102nm1nm=10-9m,Rearth-6371km=6.371x109mmDot-0D75Confinementeffect(限域效应限域效应)Surface/interfaceeffect(表面效应表面效应/界面界面效应效应)Nanocrystal纳纳 米米 晶晶 体体76l1959年年l1981年年l1985年年l1986年年l1987年年l1988年年l1989年年l1990年年l1991年年l2000年年l2002年年l1997年年电子显微电子显微与微观世界与微观世界77稀土发光材料稀土发光材料u光致

33、发光（以紫外光或可见光激发）光致发光（以紫外光或可见光激发）稀土节能荧光灯，发光涂料稀土节能荧光灯，发光涂料u阴极射线发光（以电子束激发）阴极射线发光（以电子束激发）电视机、示波器、雷达和计算机等各类荧光屏和显示器电视机、示波器、雷达和计算机等各类荧光屏和显示器 uX X射线发光（以射线发光（以X X射线激发）射线激发）医用医用X X射线照相用高灵敏度增感屏射线照相用高灵敏度增感屏u电致发光（以电场激发）电致发光（以电场激发）等离子显示屏等离子显示屏 7879 Applications80Conventionallaserspectroscopypeakposition,intensity,d

34、istributionFluorescencelifetimeFrequencydomainTimedomainAbsorption spectraEmission spectraExcitation spectraFluorescence decayTime resolved spectra81FundamentalmethodsofspectroscopyFundamental measurements Spectrum Energy states Dynamical process Transition between states Relationbetweenmicro-andmac

35、ro-worldsisestablishedFrequencydomainlAbsorptionspectralEmissionspectralExcitationspectraTimedomainlFluorescencedecaylTimeresolvedspectraBasic/conventionalmethods 82ExperimentalfacilitiesLightsource:Excite/stimulatethesample(selectively or nonselectively)CW and pulsed(dye)laser;Xe or Hg or D lamp,et

36、c.OpticalsetupSamples and sample environment;Optics for collecting and directing lightDetectingsystem:CollectanddisplayexperimentalsignalsMonochrometer,Photo-electronic detectors(CCD or PMT),Oscilloscope,etc.OtherelectronicsLightsourceDetectingsystemSamplesOpticalsetup83Laboratory ofLaser spectroscopy&Luminescent dynamics 848586