光学在生命中应用

　光学在生活中的应用

　韦孝诚

　（东南大学，南京 211189）

　我们生活的每天都有光的影子，它在我们的日常生活中占据着重要的地位，没有了光我们将无法享受这五彩斑斓的世界。当然光学在人们的日常生活中同样有着广泛的应用，比如我们常接触的光纤通讯、激光、望远镜、照相机、摄像机等，都是其在生活中的广泛应用。文章就光的几个重点性质在生活中的体现做重点分析，并简单介绍了一些应用，使大家能够简单了解到生活中的一些光学。

　生活；光学；应用

　Application of optical?in life

　Wei Xiaocheng

　(Southeast University, Nanjing 211189)

　?we live?every day?light?shadow,?it?plays an important role?in our?daily life,?there is no light?we will not be able to?enjoy the?colorful world.?Of course,optical?in people's daily?life also?has a wide range of applications,?such as?theoptical fiber communication,?laser,?telescope,?camera,?video camera,?is?its wide application?in life.?This paper?focuses on the analysis of?embodied?do?several keyproperties of light?in life,?and briefly?introduces some applications,?so that we canlearn some?simple?optics?in life.

　 life;?optical;?application

　光学是研究光与物质相互作用及光传播的学科，物理学中所包含的重要的基础学科之中，就有光学。同时，光学也有广泛的应用，比如为了设计各种光学仪器而发展起来的几何光学，随着科技进步，物理光学也开始崭露头角，例如一直以来作为精密仪器测量中的一个重要手段—光的干涉，以及实验中我们经常使用到的一种重要的分光仪器—衍射光栅，都是物理光学发展的成果。随着光学的不断发展，当代光学被

　韦孝诚，1995.5.23，男，山东，材料科学与工程学院，wx126.con

　广泛应用到通讯、信息处理、材料加工、医疗、农业、军事等重要领域，有着光辉的前景。

　光源，顾名思义，也就是任何能够发出可见光的物体,太阳、萤火虫等发出的光（自然光源），蜡烛、火焰、各种各样的灯（人造光源）等所发出的光，都是我们日常生活中所熟悉的光源。光源不仅用来照明，在科学实验中为了各种科学研究课题的需要，人们常使用形式多样的特殊光源，尤其是在上世纪六十年代美国红宝石激光器的成功发射，更是人们在探索光的路途中的一项重大里程碑。

　生活中的光的直线传播

　光在同种均匀介质中沿直线传播，通常简称光的直线传播．它是几何光学的重要基础，利用它可以简明地解决成像问题．人眼就是根据光的直线传播来确定物体或像的位置的。

　日食、月食

　近些年来在我国可观测到的各种日食，作为大自然的奇特景象，我们在欣赏的同时也不仅为之惊叹。这奇特的自然现象，实际上主要是由光的直线传播这一性质引起的。

　图1 日食原理

　简单来讲，日食的产生就是由于光的直线传播，地球、月球、太阳在同一直线，月球遮挡了太阳光导致的。一般情况下，日食是不容易产生的，能够亲身观测更是机会难得。与日食相对应的，是月食：当太阳、地球、月球三者恰好或几乎运行在同一条直线上时，地球全部或部分地遮挡了太阳光，产生月食。月食的发生时间，经常是在每个月的月圆前后，也就是我国传统的农历十五左右，这是月绕地、地绕日的周期性规律决定的，并且月绕地轨道与日自身轨道在宇宙空间并非为同一平面，但这上述轨道在空间有两个交点，只有在日、月均接近对应的交点时方可形成一直线，因此月食也并非月月可见的。

　图1 月食原理

　光沿直线传播在生活中的一些应用

　作为光的一个基本性质，光的直线传播在我们的日常生活中有着广泛的应用。比如士兵打枪瞄准、站队时判断队伍是否整齐、驾车行驶时判断是否直行等，这里主要介绍激光准直技术。

　我们知道优良的方向性是激光优于其他光的一大特点，激光准直通俗来讲，就是以激光束作为基准，并配合其他物理光学测量法，测定一条直线上的点位偏离情况，激光准直仪主要根据这一原理制作。简单来说，激光准直仪就是将其发出的准直激光束作为基准线，用于校准的测量仪器，激光器作为其光源发射系统，同时它还具有光电接收系统及配件。我们的工业生产生活中经常有它的身影，它经常用于测量平面的平整度、平行度、直线度以及长距离的孔、轴的同心度。传统方法，耗功耗时，测量过程中不少因素都会影响到测量精度，并最终导致整个系统的精度偏低，而现代激光准直仪，不需多人操作，受外界影响因素小，因而更加省工省时并且更为精确。国防工业、检修公司、电力学校、火力发电厂、钢厂、等重要的工业场所都经常使用到它。

　光的反射与折射

　光遇到水面、玻璃以及其他许多物体的表面都会发生反射。当光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反射。

　光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折，叫做光的折射。

　月球上的反射

　月亮对于人类来说，是最大规模的反射现象，月亮作为地球的一个天然卫星，本身不会发光，它只是反射太阳的光，所以我们才能观测得到日食和月食（若月球会发光这两种现象就不可能发生）。由于月球表面比较凹凸不平，主要发生漫反射，所以夜空中我们看到的月光相对柔和，没有太阳光那么刺眼，因而能够“赏月”。

　海市蜃楼

　海市蜃楼是非常神奇又难得一见的自然景观之一，在我国沿海省份的夏季经常可以看到此奇景,在我国古代经常被神化，其实它的的形成主要是由于光的折射和全反射造成的。

　气温较高时，海面上空气的温度，上层空气要比下层高，且其密度也比下层小，因而有相对较小的折射率，因此我们可以假设海面上的空气是一层层叠起的，折射率从下到上呈减小趋势，当远处的景物反射或发出的光线射向空中时，发生连续折射，致使进入上层空气的光线的入射角呈连续增大趋势，当达到一定角度时便发生了全反射，光线便在另一地点回到地面上，进入到人眼睛的光线便是远处的景物，仿若飘于空中。?如果柏油马路上的温度过高，我们常会观察到前方景象飘忽的现象，这是由于热路面的空气层，上层空气密度比贴近热路面的空气层要大，折射率情况与上述情况相反，但也具备发生全反射的条件，故而会产生类似通过火焰上层空气看前方景象时的飘忽现象。

　生活中光的反射应用

　根据镜面反射、漫反射特点，反射在我们的日常生活中有着极其广泛的应用。我们每天都接触镜子，正是有了光的反射，镜子才可以把接收到的光反射过来，这样人就可以在镜子中看到自己的样子。如果想使镜子中所成的像变得有趣，只需把镜面做的不平整即可，此时我们会观察到镜中所成像变得扭曲或拉伸，这便是哈哈镜了。汽车后视镜也运用了这个原理，我们注意到，汽车后视镜是凹面的，这样一来便会在镜中形成缩小的像，从而大面积的景物在小小的汽车镜面中都可以看到，扩大了司机视野。还有自行车的尾灯、公路上的标志牌、潜望镜等都是光的反射应用。

　生活中光的折射应用

　眼镜、放大镜、相机镜头、凸、凹透镜等都是生活中常见的物品，这些都是光的折射在生活中的具体应用。

　光的色散

　光的色散（Dispersion of light ）指的是复色光分解为单色光的现象；复色光通过棱镜分解成单色光的现象；光纤中由光源光谱成分中不同波长的不同群速度所引起的光脉冲展宽的现象。色散也是对光纤的一个传播参数与波长关系的描述。

　图3 光的色散原理

　蔚蓝的天空

　细微颗粒的散射遵循瑞利定律：散射光强度正比于波长的四次方的倒数。后三个可见光的波长较短，最容易被散射，而前三个可见光的波长较长，不容易被散射；与此同时空气自身的密度涨落对光也有一定的散射，尤其是大气中氧气的涨落引起的散射，大气中氮气占有最大比例，然而氮气无色，而氧气在一定物理条件下成淡蓝色，故氧气对天空呈现蓝色也起到了一定作用。大雨过后或越晴朗的天空由于悬浮小微粒增多，散射变强，这就是天空更加蓝的原因。如果空气中由于汽车尾气、工业废气等的增多，这些污染性气体粒子尺寸较大，发生米氏散射，致使天空呈现青灰甚至灰白色。我们或

　许会观察到，在夜晚即将来临，没有太阳后的天空，会出现深蓝色，这其实是大气中的臭氧层在起作用，它在离地球表面20至30公里的高空，截获了太阳光中的黄色和橙色部分，让蓝光部分通过，直到所有光亮消失，所有的颜色才消失在夜色中。

　生活中光的散射的应用

　由于黄光不易被散射，被广泛应用于交通领域的雾灯、车牌、警示牌等方面；在拍照摄影领域，利用光的散射可以拍摄出更加有意境的场景；在科研领域中，光的散射被大量应用于微小粒子分析当中。

　光的干涉与衍射

　两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。这种现象叫作光的干涉。

　光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射。

　光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。

　灯光的光晕

　我们在家里或宿舍对着灯棍瞪大或眯小眼睛时，会发现周围的辐射光芒，这是我们经常观察到的现象，这种现象产生的本质便是光的衍射。

　我们知道，如果波长与障碍物尺寸相当，衍射现象最明显，我们在眯起眼睛的时候，在某个时刻便会产生与灯光波长相近的缝隙，于是在眼睛上发生衍射，我们便看到了灯棍周围的光晕。

　类似还有影子，我们经常见到的影子都有模糊的轮廓，这都是由于光在物体的轮廓边缘发生衍射导致的。

　干涉、衍射在生活中的应用

　全息照相、电子显微镜、光谱仪等都是其重要应用。

　全息照相

　息显示主要利用全息照相能重现物体三维立体图像的特点，因全息片能给出和原物大小一样、细节精美、形状逼真的三维图像，所以是极有发展前景的应用之一。它可以用来复制历史文物艺术珍品、全息肖像、全息装饰品和全息风景画等也可用于超景深照相，使远距离到近距离的物体同时记录在一张全息底片上。而从其再现像中逐次按不同距离分层观测，不受普通照相景深的限制。全息显示常用的全息术有：透射和反射全息、像面全息 彩虹全息、真彩色全息、合成全息和模压全息等多种类型。其中除透射全息图需要用激光再现外，其余都可用自光再现，从而使在自昼自然环境中可观察到三维景像。近年来模压全息逐步进入到人们生活中，并受到人们的欢迎和喜爱模压全息把浮雕艺术和照相艺术相结合，用多层次体现三维空间，极具有观赏价值它除了作为艺术全息品便于携带和保存外，已广泛用于防伪标识、贺卡、商标、纪念封和图书插图等领域，国内外都已形成一种巨大的产业。

　图4全息照相原理

　光谱仪

　光谱仪，又称分光仪，广泛为认知的为直读光谱仪。以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。其构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上（或扫描某一波段）进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。

　根据现代光谱仪器的工作原理，光谱仪可以分为两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器；新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器。经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器。调制光谱仪是非空间分光的,它采用圆孔进光。

　根据色散组件的分光原理，光谱仪器可分为:棱镜光谱仪，衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。光学多道分析仪OMA (Optical Multi-channel Analyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器，它集信息采集，处理，存储诸功能于一体。由于OMA不再使用感光乳胶，避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理，测量工作，使传统的光谱技术发生了根本的改变，大大改善了工作条件，提高了工作效率；使用OMA分析光谱，测量准确迅速，方便，且灵敏度高，响应时间快，光谱分辨率高，测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机，绘图仪输出。它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量，分析及研究工作中,特别适应于对微弱信号，瞬变信号的检测。

　光学在高新技术中的应用

　X光线在医学中的应用

　从1895年德国物理学家伦琴发现X线至今已有100多年的历史，X线透视和摄片为人类的健康做出了巨大的贡献，而今影像医学作为一门崭新的学科，在近20年中以技术的快速发展和作用的日益扩大而受到普遍的重视，在我国大中城市的大医院中，影像学科已成为医院的重要科室，在医院的医疗业务、设备投资、科研中占有重要的地位。

　X线之所以能使人体在荧光屏上或胶片上形成影像，一方面是基于X线的特性，即其穿透性、荧光效应和摄影效应；另一方面是基于人体组织有密度和厚度的差别。由于存在这种差别，当X线透过人体各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以达到荧光屏或X线片上的X线量即有差异。这样，在荧光屏或X线片上就形成黑白对比不同的影像。

　因此，X线影像的形成，应具备以下三个基本条件：首先，X线应具有一定的穿透力，这样才能穿透被照射的组织结构，第二，被穿透的组织结构，必须存在着密度和厚度的差异，这样，在穿透过程中校吸收后剩余下来的X线量，才会是有差别的；第三，这个有差别的剩余X线，仍是不可见的，还必须经过显像这一过程，例如经X线照片或荧光屏显像，才能显示出具有黑白对比和层次差异的X线影像。

　X线穿透密度不同的组织时，密度高的组织被吸收的多，密度低的组织被吸收的少，因而剩余的X线量就出现差别，从而形成黑白对比的X线影像

　光纤通信及在配电网上的应用

　波分复用技术

　波分复用技术可以充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源。根据每一信道光波的频率(或波长)不同，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器(合波器)，将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立(不考虑光纤非线性时)，从而在一根光纤可实现多路光信号的复用传输。?

　光纤接入技术

　光纤接入网是信息高速公路的“最后一公里”。实现信息传输的高速化，满足大众的需求，不仅要有宽带的主干传输网络，用户接入部分更是关键，光纤接入网是高速信息流进千家万户的关键技术。在光纤宽带接入中，由于光纤到达位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCab和FTTH等不同的应用，统称FTTx。FTTH(光纤到户)是光纤宽带接入的最终方式，它提供全光的接入，因此，可以充分利用光纤的宽带特性，为用户提供所需要的不受限制的带宽，充分满足宽带接入的需求。目前，国内的技术可以为用户提供FE或GE的带宽，对大中型企业用户来说，是比较理想的接入方式。

　OLED显示技术

　OLED，即有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode)，又称为有机电激光显示(Organic Electroluminesence Display，OELD)。OLED因具有柔软、透明、画质清晰、节能环保等特点，被视为是下一代最具潜力的新型平面显示技术，因此从2003年开始，这种显示设备在MP3播放器上得到了广泛应用，而对于同属数码类产品的DC与手机，此前只是在一些展会上展示过采用OLED屏幕的工程样品，还并未走入实际应用的阶段。但OLED屏幕却具备了许多LCD不可比拟的优势。

　OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO)，与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。整个结构层中包括了：空穴传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。当电力供应至适当电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮，依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三原色，构成基本色彩。OLED的特性是自己发光，不像TFT LCD需要背光，因此可视度和亮度均高，其次是电压需求低且省电效率高，加上反应快、重量轻、厚度薄，构造简单，成本低等。

　参考文献格式：

　赵凯华，钟锡华.《光学》[m].北京：北京大学出版社，2004：329.

　何颖君.准均匀介质散射场强度相关性的理论研究[J].贵州大学学报（自然科学版），2008(04).

　 HYPERLINK "/kcms/detail/%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=%e4%bd%99%e5%b0%8f%e8%8b%b1&code14357951;" \t "_blank" 余小英, HYPERLINK "/kcms/detail/%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=%e6%9d%8e%e5%87%a1%e7%94%9f&code14357951;" \t "_blank" 李凡生.彩虹形成的光学原理及散射角的推倒[J]. 南宁师范高等专科学校学报,2007(04).

　马文蔚.《物理学》[m].高等教育出版社，2012:93-160

　易仕明.略谈轻雾、霾、浮尘、烟幕[J].气象，1982(11).