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光開關(guān)工作原理詳解:深入淺出解析反射、折射、透射、散射、衍射、干涉核心原理 | 科毅光通信

2025-06-25

在我們?nèi)粘I钪校鉄o處不在。無論是清晨的陽光,還是夜晚的燈光,它們都在默默地影響著我們的生活。然而,關(guān)于光的奧秘,你真的了解嗎?


在我們?nèi)粘I钪校鉄o處不在。無論是清晨的陽光,還是夜晚的燈光,它們都在默默地影響著我們的生活。然而,關(guān)于光的奧秘,你真的了解嗎?光的傳播、反射、折射、散射、透射、衍射、干射等每種現(xiàn)象都有其獨(dú)特的科學(xué)原理,今天就讓我們一起探索這些物理常識(shí)中的光學(xué)現(xiàn)象,讓你對(duì)光的理解更加深入。今天,我就帶大家一次搞清楚這些概念:

反射、折射、散射、透射、衍射、干涉、吸收、發(fā)射、……





光的折射

反射:光“彈”回去了

定義:當(dāng)光(或波)碰到物體表面,部分或全部被“彈回來”,這叫反射。


光的折射


舉例:

鏡子反光,是因?yàn)楣饩€被鏡子反射了;

水面像鏡子一樣,也是一種反射;

雷達(dá)測(cè)距靠的也是電磁波反射回來。

關(guān)鍵點(diǎn):入射角 = 反射角,路徑是“回頭”的。



折射:光“彎”了過去

定義:光(或波)從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí),方向發(fā)生變化,叫折射。


光的折射原理

舉例:

筷子插進(jìn)水里看起來“彎了”,是折射;

眼鏡改變光的路徑,也是折射;

彩虹的形成是因?yàn)樗螌?duì)陽光折射+ 反射。

關(guān)鍵點(diǎn):速度變了,方向就偏了。



透射:光“穿”過去了

定義:當(dāng)光直接通過一個(gè)物體,沒有被吸收、散射、反射掉的那部分,叫透射。



光的透射

舉例:

陽光穿過窗戶,玻璃對(duì)光有透射;

X射線穿過皮膚照骨頭,是透射;

光透過鏡片才能成像,也是透射。

關(guān)鍵點(diǎn):穿過去不等于不改變方向,折射+透射常一起出現(xiàn)。



散射:光“亂彈”開了

定義:當(dāng)光(或波)遇到不規(guī)則結(jié)構(gòu)(顆粒、分子),被隨機(jī)“打散”到各個(gè)方向,這叫散射。



光的散射


舉例:

天空是藍(lán)色,是因?yàn)殛柟庵械乃{(lán)光被大氣分子散射最厲害;

白云是白的,是因?yàn)樗伟压馊ǘ味忌⑸淞耍?/span>

聚合物研究用SAXS(小角X射線散射)測(cè)微觀結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵點(diǎn):方向變亂了、不是按角度反彈,是被“擊碎”一樣到處跑。



衍射:光“繞”過去了

定義:波遇到障礙物或狹縫時(shí),會(huì)“繞開去”,形成擴(kuò)散或干涉花紋,這叫衍射。



光的衍射

舉例:

聲音能繞過門縫,是聲音波的衍射;

光經(jīng)過細(xì)縫形成花紋,是光的衍射;

X射線衍射(XRD)測(cè)晶體結(jié)構(gòu),就是利用這個(gè)。

關(guān)鍵點(diǎn):波“轉(zhuǎn)彎”通過細(xì)縫,產(chǎn)生圖案。



吸收:光“被吃掉”了

定義:光的能量被物質(zhì)“吃掉了”,變成了熱、電子激發(fā)等能量形式,這叫吸收。



光的吸收

舉例:

黑衣服比白衣服吸熱,是因?yàn)樗崭喙猓?/span>

紫外光照射皮膚會(huì)被吸收,產(chǎn)生曬傷;

紅外光吸收光譜,用來分析材料成分。

關(guān)鍵點(diǎn):光不再“出來”,能量變形了。



發(fā)射:光“釋放”出來了

定義:物質(zhì)吸收了能量后再釋放出來,比如發(fā)光、釋放粒子,這叫發(fā)射。



光的發(fā)射

舉例:

螢火蟲發(fā)光是生物發(fā)射;

氣體放電管發(fā)出紅色或藍(lán)色光;

熒光材料吸收紫外、發(fā)射可見光。

關(guān)鍵點(diǎn):先吸后放,放出來才叫發(fā)射。



干涉:光“疊加“相遇了

光的干涉:是波動(dòng)光學(xué)中的核心現(xiàn)象,由光波的波動(dòng)性引起。當(dāng)兩束光波在空間某點(diǎn)相遇時(shí),它們的波幅相互疊加,形成明暗相間的干涉條紋。



光的干涉

基本原理:

相干性:需滿足頻率、振幅、相位一致的條件,才能形成穩(wěn)定的干涉圖樣。

光程差:由于傳播路徑不同導(dǎo)致的光波相位差異,是干涉現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。



現(xiàn)象表現(xiàn):

構(gòu)造性干涉:光強(qiáng)增強(qiáng),形成亮條紋(如雙縫干涉)。

破壞性干涉:光強(qiáng)減弱,形成暗條紋。



舉例:

肥皂泡干涉條紋:當(dāng)陽光照射到肥皂泡表面時(shí),光在薄膜上下表面反射后發(fā)生干涉,形成彩色條紋。這是薄膜干涉的典型現(xiàn)象,因反射光存在半波損失(相位變化π),導(dǎo)致明暗相間。



對(duì)比總結(jié)表:

 

現(xiàn)象

解釋

例子

反射

光打到表面反彈回去

鏡子

折射

光從一個(gè)介質(zhì)到另一種介質(zhì)轉(zhuǎn)彎

筷子插水

投射

光穿過介質(zhì)傳到另一側(cè)

玻璃窗

散射

光被亂彈出去多方向

天空藍(lán)

衍射

光繞過小孔產(chǎn)生干涉花紋

光柵

干涉

光的疊加

肥皂泡

吸收

光的能量被“吃掉”

黑衣服熱

發(fā)射

物體發(fā)出光或粒子

熒光棒



生活中的綜合體現(xiàn):

晴朗的天空呈藍(lán)色:陽光中的短波藍(lán)光被大氣分子散射到各個(gè)方向。水面既能映出倒影(反射),又能看到水下物體(透射),若水中有雜質(zhì),還會(huì)發(fā)生散射,導(dǎo)致看不清。

簡而言之,三者是光與物體作用的不同結(jié)果,共同決定了我們對(duì)物體的視覺感知。



補(bǔ)充問題1:反射是否包含散射?散射是否包含反射?



反射和散射是兩種不同的光學(xué)現(xiàn)象,彼此不存在包含關(guān)系,它們的本質(zhì)區(qū)別如下:


反射與散射的核心差異



1. 反射的特點(diǎn)

方向規(guī)律性強(qiáng):光沿特定角度反射(遵循反射定律,即入射角等于反射角),如鏡面反射。

物體表面要求:光滑表面更易發(fā)生規(guī)則反射(如鏡子、金屬)。



2. 散射的特點(diǎn)

方向無規(guī)律性:光被分散到各個(gè)方向,無固定角度,如陽光被云層、塵埃散射。

物體結(jié)構(gòu)影響:粗糙表面、顆粒狀介質(zhì)(如磨砂玻璃、霧)或微小粒子(如大氣分子)易引發(fā)散射。



為何容易混淆?

漫反射的誤導(dǎo)性:當(dāng)物體表面粗糙時(shí),光會(huì)發(fā)生“漫反射”,看似向多個(gè)方向散射,但本質(zhì)仍屬于反射——每個(gè)微小表面單元仍遵循反射定律,只是整體方向因表面不規(guī)則而分散。

(例:白紙表面看似“散射”光線,實(shí)則是無數(shù)微小平面的反射,整體表現(xiàn)為漫反射。)



散射的隨機(jī)性更強(qiáng):散射的光方向完全取決于介質(zhì)結(jié)構(gòu)(如粒子大小、分布),而反射(包括漫反射)的方向仍與入射角度相關(guān)。



結(jié)論

反射和散射是獨(dú)立的光學(xué)現(xiàn)象:

反射的核心是“方向規(guī)律性反彈”,散射的核心是“無規(guī)則方向分散”。

兩者可能在同一物體上同時(shí)發(fā)生(如粗糙物體既漫反射又散射),但概念上互不包含。



補(bǔ)充問題2:完全漫反射體概念上會(huì)發(fā)生散射嗎

在光學(xué)概念中,完全漫反射體不會(huì)發(fā)生散射,二者的本質(zhì)區(qū)別如下:

完全漫反射體的定義與特性定義:指表面粗糙至極,能將入射光向所有方向均勻反射的理想物體(如硫酸鋇涂層,氧化鎂涂層等)。



核心特點(diǎn):

反射光遵循漫反射規(guī)律:每個(gè)微小表面單元仍滿足“入射角=反射角”,但因表面不規(guī)則,整體反射光向各方向分散。

反射過程中光的傳播方向改變,但光子能量、波長等屬性不變,且反射方向仍與入射方向相關(guān)(基于表面微元的法線方向)。



散射與漫反射的本質(zhì)區(qū)別

作用機(jī)制:

漫反射--光在物體表面因粗糙結(jié)構(gòu)發(fā)生方向分散

散射--光在物體內(nèi)部或介質(zhì)中被粒子/結(jié)構(gòu)干擾而改變方向



方向規(guī)律性:

漫反射--基于表面微元的反射定律,有統(tǒng)計(jì)規(guī)律

散射--無固定規(guī)律,完全隨機(jī) 



是否涉及介質(zhì)內(nèi)部:

漫反射--僅發(fā)生在表面

散射--可發(fā)生在介質(zhì)內(nèi)部(如空氣、水、云層) 



能量與波長變化:

漫反射--通常無變化

散射--可能伴隨能量吸收或波長改變(如拉曼散射)

 

為何完全漫反射體不涉及散射?

漫反射的光僅在物體表面發(fā)生方向改變,未進(jìn)入物體內(nèi)部;而散射需要光與介質(zhì)內(nèi)部的粒子或結(jié)構(gòu)相互作用(如穿過云層時(shí)被水滴散射)。

理想模型中,完全漫反射體不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)光的影響,僅關(guān)注表面的反射行為,因此不存在“散射”過程。

 

 

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