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      光，不僅是支持生命的重要能量，也是生活中的重要信息源。顯然，如果沒(méi)有光，就不可能有我們現(xiàn)在的文明。正是光，為我們提供了很有價(jià)值的信息資源。由于安防界要和光打交道（因?yàn)榘卜辣O(jiān)控的場(chǎng)景離不開(kāi)光），因而我們首先必須了解光的基本性質(zhì)及其度量。

光的基本性質(zhì)

       很久以前，人們就對(duì)光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并認(rèn)識(shí)到光有直線傳播的特點(diǎn)。在17世紀(jì)，牛頓根據(jù)光直線傳播的現(xiàn)象，提出光是由光源飛岀的微粒流的假說(shuō)，認(rèn)為這些微粒在均勻媒質(zhì)中沿著直線方向等速度飛行，并以微粒流的觀點(diǎn)對(duì)反射和折射定律做了解釋。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又發(fā)現(xiàn)了許多用光的直線傳播概念不能解釋的較為復(fù)雜的光現(xiàn)象，如光的干涉、衍射和偏振等。于是惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等提出了光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)，認(rèn)為光是發(fā)光材料中分子振動(dòng)的結(jié)果，這些振動(dòng)通過(guò)一種假想的彈性媒質(zhì)，以水波一樣的方式傳播出去。光的波動(dòng)理論能夠解釋光的干涉和衍射等現(xiàn)象。到I860年，麥克斯韋電磁理論建立后，才認(rèn)識(shí)到光也是一種電磁現(xiàn)象。原來(lái)光和無(wú)線電波一樣，也是一種電磁波，只不過(guò)光的波長(zhǎng)比無(wú)線電波短得多而已。

        電磁波包括的范圍很廣，如現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的宇宙射線，其波長(zhǎng)小于幾個(gè)皮米（lpm=10¯¹²m）,  而廣播用的無(wú)線電波的波長(zhǎng)則達(dá)上千米，它們都屬于電磁波的范疇。光波僅僅是電磁波中的一小部分，它包括的波長(zhǎng)區(qū)間約從幾個(gè)納米（lnm=109m）到1mm左右。這些光并不是人眼都能看得見(jiàn)的，其中只有波長(zhǎng)從380nm到780nm范圍內(nèi)的電磁波，才能引起人眼感光細(xì)胞的直接感覺(jué)。這一段波譜我們稱為可見(jiàn)光區(qū)（即380-780nm,必須牢記，這樣才不會(huì)錯(cuò)誤說(shuō)岀大于700nm的是紅外光）。為了清楚起見(jiàn)，分別將紫外、可見(jiàn)和紅外光部分放大，如圖1-1所示。在可見(jiàn)光中，波長(zhǎng)最短的是紫光，稍長(zhǎng)的是藍(lán)光，以后的順序是青光、綠光、黃光、橙光和紅光，紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)。而在不可見(jiàn)光中，波長(zhǎng)比紫光短的光稱為紫外線，比紅光長(zhǎng)的叫紅外線。表1-1列出了光的各個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域。波長(zhǎng)小于200nm的光成為真空紫外，因?yàn)檫@部分光在空氣中很快被吸收，所以只能在真空中傳播。

圖1-1   紫外線、可見(jiàn)光和紅外線波長(zhǎng)

 

       現(xiàn)在常用的光波波長(zhǎng)的單位是微米（卩m）.、納米（nm）,其關(guān)系為1pm=103nm„應(yīng)當(dāng)指出，圖1-1和表1-1只表示各波長(zhǎng)區(qū)間的大致范圍和相互位置，并沒(méi)有也不可能給出區(qū)間的嚴(yán)格界限。實(shí)際上，各個(gè)區(qū)域之間都是逐步過(guò)渡而不是截然分開(kāi)的。

表1-1光的各個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域
 

波長(zhǎng)區(qū)域/nm 區(qū)域名稱

10 ?200 真空紫外區(qū)，遠(yuǎn)紫外區(qū) 紫
外
區(qū)

200?300 日盲區(qū)、中紫外區(qū)

300?380 大氣紫外窗口，近紫外區(qū)

380?420 紫光 可 見(jiàn) 光 區(qū)

420?450 藍(lán)光

450?490 青光

490?560 綠光

560?590 黃光

590—620 橙光

620?780 紅光

780?1 500 近紅外區(qū) 紅
外
區(qū)

1 500-10 000 中紅外區(qū)

10 000?1 000 000 遠(yuǎn)紅外區(qū)

 

       由于光波也是一種電磁波，因此可以用麥克斯韋方程來(lái)描寫(xiě)。由麥克斯韋方程可知，迅速變化著的電磁場(chǎng)必定要向四周傳播。電磁波在媒質(zhì)中傳播速度。由下式?jīng)Q定。

υ=λv/n（1-1）

式中，速度υ的單位是m/s；λ為波長(zhǎng)，單位是m；v為頻率，單位是Hz；n為媒質(zhì)的折射率。在真空中，n=l,光傳播速度c=299 792 458m/s,一般近似記為3xl08m/so除非特別指明，今后凡提到光的波長(zhǎng)、速度，通常均指真空中的波長(zhǎng)、速度。

       利用麥克斯韋理論能很好地說(shuō)明光在傳播過(guò)程中的反射、折射、干涉、衍射、偏振，以及光在各向異性介質(zhì)中的傳播等現(xiàn)象。但在研究過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)在光與物質(zhì)的互相作用方面，如物質(zhì)對(duì)光的吸收、色散和散射等，用電磁理論仍不能給岀令人滿意的解釋。1900年普朗克在研究黑體輻射的能量按波長(zhǎng)分布這一問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)，諧振子輻射是不連續(xù)的，提出了輻射的量子論。1905年，愛(ài)因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)也提岀了光量子的概念，從而逐漸地形成了新的微粒理論——量子論。量子論認(rèn)為，光是由許多光量子組成的，這些光量子具有的能量為hv,其中h=(6.6260755±0.0000040)x[()34j.S,稱為普朗克常數(shù)。以后的光電效應(yīng)、X光散射等實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光量子理論，并肯定了光具有粒子性。然而，光的干涉、衍射等現(xiàn)象又必須肯定光具有波動(dòng)性。事實(shí)使人們認(rèn)識(shí)到光具有波粒二重性，后來(lái)發(fā)展的量子電動(dòng)力學(xué)也較好地反映了光的這種二重性，從而使人們對(duì)光的本性有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。當(dāng)然這種認(rèn)識(shí)仍然是近似的，但它更接近客觀實(shí)際了。

光輻射的度量