书山有路勤为径；学海无涯苦作舟
纸张的光学特性研究
纸张作为最主要的承印材料，在印刷时有着大量的应用。纸张的品种多，性能各异，为此，充分了解纸张的各种特性以及各种特性与印刷品呈色效果的关系，才能在选用纸张时作出既科学又合理的判断，保证在印刷时得到理想的印刷效果。将纸张的特性进行归类，可分别从光学特性、机械特性和印刷适性三个方面考虑。光学特性包括白度、光泽度、不透明度等；机械特性包括纸张的丝缕方向、厚度、定量、耐折度、撕裂度、刚挺度、耐破度等；印刷适性包括纸面强度、透气度、平滑度等。下文将着重从纸张的光学特性入手，研究影响纸张光学特性的因素，光学特性的测试方法及光学特性对印刷色彩呈现的影响。
1.白度
纸张白度是纸张受光照射后全反射的能力，也就是纸张白色光亮程度。它是纸张总光谱反射率、照明能量分布、观察条件和观察者特性的函数。当光线照射在纸张上时，仅有三种情况发生，光线被纸面反射，透射过纸张的纤维空隙和被纤维和填料吸收。
影响纸张白度的因素主要有造纸过程中使用的染料、填料的白度、
浆料的白度及涂料的白度。
①白度测试方法。
目前国际上常用的几种测量白度的仪器，都是测量纸张对主波长为457nm光的反射能力。我国纸张白度的标准测量方法与美国普遍使用的TAPPI白度测量方法原理相同。
该方法是将平行光束以45度角照射到纸张表面，测量纸张法线方
向的反射率，在入射光中放一滤色片滤去红外光，在反射光中放一滤色片
专注下一代成长，为了孩子
气溶胶的光学特性参数 （1）气溶胶光学厚度 气溶胶光学厚度,英文名称为AOD（Aerosol Optical Depth）或AOT（Aerosol Optical Thickness），表示的是单位截面的垂直气柱上的透过率，有时候又叫大气混浊度，它是一个无量纲的正值。数值范围在0-1之间，0代表完全不透明大气，1代表完全透明的大气，气溶胶光学厚度越大，大气透过率越低。值的大小主要由气溶胶质粒的数密度、尺度分布、气溶胶类型等物理、光学属性来决定。 气溶胶光学厚度的反演： 公式：L=L0+F*T*P/[1-S*P] L：传感器收到的辐射；L0：大气路径辐射；F：下行辐射 P：地表反射率；T：大气透过率；S：大气半球反射率 F*T*P/[1-S*P]：地表反射辐射 对于大气路径辐射项L0,它只是大气气溶胶光学厚度和几何参数的函数,假如地表反射辐射比较小或为零,就可以通过大气路径辐射项来反演获得气溶胶光学厚度,对于地表反射辐射（F*T*P/[1-S*P]）来说，仅是气溶胶光学厚度的函数,如果消去路径辐射信息,便可以通过它来反演气溶胶光学厚度。 （2）散射相函数 散射相函数反映的是电磁波入射能量经粒子散射后在方向上的分布，或者称相函数是粒子(散射体)将某个方向的入射波散射到其他方向的概率。定义相函数P(θ)为在θ角方向的散射辐射能量与各向同性散射时该方向的散射辐射能量之比。目前，常用的相函数有Mie散射相函数、HG相函数、双HG相函数和改进的HG*相函数等，这些函数各有优缺点。 Mie散射相函数： P Mie(θ)= [S1(θ)2 +S2(θ) 2]/ 2πα2 Qsca α=2πR/λ：球形气溶胶粒子的尺寸参数； S1(θ)、S2(θ)：散射振幅矩阵元； Qsca：气溶胶粒子的散射效率因子； S1(θ)、S2(θ)和Qsca可由Mie展开系数求解，Mie散射相函数适合于球形粒子求解。 （3）单次散射反照率 单次散射反照率（single scattering albedo,SSA），在随机介质中传播的光将会被介质中的粒子散射和吸收而衰减，我们称之为消光，其中因散射而导致入射光消光在总消光中所占的比例，可以用粒子的平均单次散射反照率来表示，其定义为： 0（x，m）= Cs（x，m）/C（x，m） C、Cs：粒子的消光截面和散射截面，消光截面是粒子或粒子群在电磁波传播路径上对电磁波衰减能力的度量； x=2πr/λ：为粒子的尺度因子，r、λ分别为粒子的半径和入射光的波长； m：复折射率，为复数m=n–ki，式中实数部分n为介质的折射率，虚数部分的k为介质的吸收系数； 如果用Ca表示粒子的吸收截面，则应满足C=Cs+Ca；如果粒子对入射光完全无吸收，即Ca=0，于是C=Cs，反照率为1，达到它的最大值。粒子有吸收时，反照率介于0到1之间。
偏振光现象的观察和分析 引言： 光的偏振现象有法国工程师马吕斯首先发现。对光偏振现象的研究清楚地显示了光的横波性，加深了人们对光传播规律的认识。近年来光的偏振特性在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光、光电子器件中都有广泛应用。 本实验利用偏振片和1/4波片观察光的偏振现象，并分析和研究各种偏振光。从而了解1/4波片和1/2波片的作用及应用，加深对光偏振性质的认识。 实验原理 1、 偏振光的种类。 光可按光适量的不同振动状态分为五类： （1）线偏振光 （2）自然光 （3）部分偏振光 （4）园偏振光 （5）椭圆偏振光 使自然光变成偏振光的装置称为起偏器，用来检验偏振光的装置称为检偏器。 2、 线偏振光的产生。 （1）反射和折射产生偏振 自然光以 i B =arc tan n 的入射角从空气入射至折射率为n 的介质表面上时，反射光 为线偏振光。以 i B 入射到一叠平行玻璃堆上的自然光，透射出来后也为线偏振光。 （2）偏振片。 利用某些晶体的二向色性可使通过他的自然光变成线偏振光。 （3）双折射产生偏振。 自然光入射到双折射晶体后，出射的o 光和e 光都为线偏振光。 3、 波晶片 4、 线偏振光通过各种波片后偏振态的改变。 在光波的波面中取一直角坐标系，将电矢量E 分解为两个分量E X 和E y ，他们频率相同都为ω，设E y 相对E X 的相位差为?φ，即有 E X =A x cos ωt （2） E y =A y cos(ωt +?φ) （3） 由（2）、（3）两式得，对于一般情况，两垂直振动的合成为： e 轴 O 轴 θ 光 轴 图 1
纳米材料技术介绍 专业：机械设计制造及其自动化 学生姓名：胡宇杨 学号：1120101117 班级：D机制131
引言：纳米概念是1959年木，诺贝尔奖获得着理查德.费曼在一次讲演中提出的。他在“There is plenty of room at thebottom”的讲演中提到，人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器，而这较小的机器可以制作更小的机器，这样一步步达到分子尺度，即逐级缩小生产装置，以至最后直接按意愿排列原子，制造产品。他预言，化学将变成根据人仃〕的意愿逐个地准确放置原子的技术问题，这是最早具有现代纳米概念的思想。20世纪80年代末、90年代初，出现了表征纳米尺度的重要工具一扫描隧道显微镜(STM)，原子力显微镜(AFM)一认识纳米尺度和纳米世界物质的直接的工具，极大地促进了在纳米尺度上认识物质的结构以及结构与性质的关系，出现了纳米技术术语，形成了纳米技术。 其实说起来纳米只是一个长度单位，1纳米(nm)=10又负3次方微米=10又负6次方毫米(mm)=10又负9次方米(m)=l0A。纳米科学与技术(Nano-ST)是研究由尺寸在1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。关于纳米技术，从迄今为止的研究状况来看，可以分为4种概念。在这里就不一一介绍了。 1纳米材料的特性 纳米是一种度量单位，1 nm为百万分之一毫米，即l毫微米，也就是十亿分之一米，一个原子约为0 1 nm。纳米材料是一种全新的超微固体材料，它是由纳米微粒构成，其中纳米颗粒的尺寸为l～100 nm。纳米技术就是在100 nm以下的微小结构上对物质和材料进行研究处理，即用单个原子、分子制造物质的科学技术…。 纳米微粒是由数目较少的原子和分子组成的原子群或分子群，其占很大比例的表面原于是既无长程序又无短程序的非晶层：而在粒子内部，存在结晶完好的周期性排布的原子，不过其结构与晶体样品的完全长程序结构不同。正是纳米微粒的这种特殊结构，导致了纳米微粒奇异的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应，并由此产生许多纳米材料与常规材料不同的物理、化学特性。 1．1表面与界面效应 纳米材料的表面效应口即纳米微粒表面原子与总原子数比随纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子的表面能及表面张力也随之增加，从而引起纳米榻料性质的变化。例如，粒径为5 nm的SiC比表面积高达300 ／12／g；而纳米氧化锡的表面积随粒径的变化更为显著，10 lltlfl时比表面积为90．3 m2／g，5 nm时比表面积增加到181 m2／g，而当粒径小于2 nm 时，比表面积猛增到450 m2／g。这样大的比表面积使处于表面的原子数大大增加．这些袭面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在着大量的表而缺陷和许多悬挂键，具有高度的不饱和性质，因而使这些原子极易与其他原子相结合而稳定下来，具有很高的化学反应活性。
深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师
子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得
光学设计性实验论文
偏振光特性的研究 摘要： 实验目的： （一）学习用光电转换的方法测定相对光强, 验证马吕斯定律。 （二）研究1/4波片的光学特性 （三）研究半导体激光器的偏振特性（测出其偏振度） （四）研究物质的旋光特性 （五）观察石英晶体的旋光特性和测量旋光度 （六）观察旋光色散，并解释现象 实验要求： （一）掌握各种偏振光的特性。 （二）学会辨别各种偏振光。 （三）了解偏振光干涉和双折射现象 关键词： 偏振、马吕斯定律、1/4波片、偏振特性、偏振度、旋光特性、旋光色散。 引言： 光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性质，而光的偏振现象进一步验证了光波是横波。我们研究偏振现象不仅可以认识光的电磁波性质，而且可以对光的传播规律有许多新的认识。 实验原理： 1．偏振光的种类 光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且又垂直于光的传播方向．通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面．按光矢量的不同振动状态，可以把光分为五种偏振态：如光矢量沿着一个固定方向振动，称为线偏振光或平面偏振光；如在垂直于传播方向的平面内，光矢量的方向是任意的，且各个方向的振幅相等，则称为自然光；如果有的方向光矢量的振幅较大，有的方向振幅较小，则称为部分偏振光；如果光
矢量的大小和方向随时间作周期性的变化，且光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的轨迹是圆或椭圆，则分别称为圆偏振光或椭圆偏振光． 能使自然光变成偏振光的装置或器件，称为起偏器；用来检验偏振光的装置或器件，称为检偏器． 2．线偏振光的产生 (1)反射和折射产生偏振 根据布儒斯特定律，当自然光以 n i b arctan =的入射角从空气或真空入射至折射率为n 的介质 表面上时，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面，而透射光为部分偏振光，b i 称 为布儒斯特角． 如果自然光以b i 入射到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射最后从玻璃片堆透射 出来的光也接近于线偏振光．玻璃片的数目越多，透射光的偏振度越高． (2)偏振片 它是利用某些有机化合物晶体的“二向色性”制成的．当自然光通过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收，光矢量平行于透振方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光． (3)双折射产生偏振 当自然光入射到某些双折射晶体(如方解石、石英等)时，经晶体的双折射所产生的寻常光(o 光)和非常光(e 光)都是线偏振光． 3．波晶片 波晶片简称波片，它通常是一块光轴平行于表面的单轴晶片，一束平面偏振光垂直入射到波晶片后，便分解为振动方向与光轴方向平行的e 光和与光轴方向垂直的o 光两部分(如图1所示)．这两种光在晶体内的传播方向虽然一致，但它们在晶体内传播的速度却不相同(为么?)．于 是，e 光和o 光通过波晶片后就产生固定的相位差δ， 即 l n n o e )(2-= λ π δ
?综合评述? 半导体纳米材料的光学性能及研究进展Ξ 关柏鸥 张桂兰 汤国庆 (南开大学现代光学研究所,天津300071) 韩关云 (天津大学电子工程系,300072) 摘要 本文综述了近年来半导体纳米材料光学性能方面的研究进展情况,着重介绍了半导体纳米材料的光吸收、光致发光和三阶非线性光学特性。 关键词 半导体纳米材料;光学性能 The Optica l Properties and Progress of Nanosize Sem iconductor M a ter i a ls Guan B ai ou Zhang Gu ilan T ang Guoqing H an Guanyun (Institute of M odern Op tics,N ankaiU niversity,T ianjin300071) Abstract T he study of nano size sem iconducto r particles has advanced a new step in the understanding of m atter.T h is paper summ arizes the p rogress of recent study on op tical p roperties of nano size sem icon2 ducto r m aterials,especially emphasizes on the op tical2abso rp ti on,pho to lum inescence,nonlinear op tical p roperties of nano size sem iconducto r m aterials. Key words nano size sem iconducto r m aterials;op tical p roperties 1 引言 随着大规模集成的微电子和光电子技术的发展,功能元器件越来越微细,人们有必要考察物质的维度下降会带来什么新的现象,这些新的现象能提供哪些新的应用。八十年代起,低维材料已成为倍受人们重视的研究领域。 低维材料一般分为以下三种:(1)二维材料,包括薄膜、量子阱和超晶格等,在某一维度上的尺寸为纳米量级;(2)一维材料,或称量子线,线的粗细为纳米量级;(3)零维材料,或称量子点,是尺寸为纳米量级的超细微粒,又称纳米微粒。随着维数的减小,半导体材料的电子能态发生变化,其光、电、声、磁等方面性能与常规体材料相比有着显著不同。低维材料开辟了材料科学研究的新领域。本文仅就半导体纳米微粒和由纳米微粒构成的纳米固体的光学性能及其研究进展情况做概括介绍。2 半导体纳米微粒中电子的能量状态 当半导体材料从体块减小到一定临界尺寸以后,其载流子(电子、空穴)的运动将受限,导致动能的增加,原来连续的能带结构变成准分立的类分子能级,并且由于动能的增加使得能隙增大,光吸收带边向短波方向移动(即吸收蓝移),尺寸越小,移动越大。 关于半导体纳米微粒中电子能态的理论工作最早是由AL.L.Efro s和A.L.Efro s开展的[1]。他们采用有效质量近似方法(E M A),根据微粒尺寸R与体材料激子玻尔半径a B之比分为弱受限(Rμa B,a B=a e+ a h,a e,a h分别为电子和空穴的玻尔半径)、中等受限(a h 光子晶体的最新研究进展 （学号：SA12231016 姓名：陈飞虎） 摘要：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中，光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展，并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。 关键词：光子晶体研究进展 1 引言 自光子晶体这一概念提出以来，它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic band gap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙, 频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点，所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领 域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调，但对于可调制光子晶体的带隙可以调控，电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，故改变外部环境，如加电场、磁场、压力或温度等，均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。 2 光通信技术方向的研究进展 传统波导利用的是全内反射原理，当波导弯曲较大时，电磁波在其中的传播不再符合全反射原理，以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理，因而光子晶体波导不受转角限制，有着极小的弯曲损耗。理论上，当波导弯曲 90°时，传统波导会有 30％的损失，而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外，光子晶体波导的尺度可以做得很小，达到波长量级；因此，光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用，在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。 光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前，世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的 气溶胶光学特性的反演方法研究 韩 冰,高 飞,李铜基 (国家海洋技术中心,天津 300111) 摘 要:气溶胶是大气重要组成部分,其对地球的辐射收支平衡以及气候变化均有非常重要的贡献。文中根据非线性辐射传输理论,研究了从自动观测太阳光度计(CE318)多角度的天空扫描数据获取气溶胶粒子谱分布、散射相函数等光学特性的反演方法,并对2000年10月27日、30日南海试验的观测数据进行了分析,取得了较好效果。关键词:气溶胶;粒子谱分布;散射相函数;辐射传输 中图分类号:T P722.4 文献标识码:B 文章编号:1003-2029(2006)03-0055-06 1 引言 气溶胶的严格含意是指悬浮在气体中的固体和(或)液体微粒与气体载体共同组成的多相体系[1]。相应地,大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。大气气溶胶粒子的直径多在10-3～102L m之间,包括可溶性的(如海盐粒子)和不可溶性的(如化石燃料的氧化物)粒子。依其形成机制则可分为自然因子与人为因子,前者主要是经由地表的自然风化过程和海洋表面的碎浪过程而进入大气,后者则是来自人类工业文明所产生微小污染物[2]。气溶胶对地球的辐射收支平衡继而气候变化均有非常重要的贡献,但是目前人们对气溶胶的了解非常欠缺。气溶胶的辐射贡献包括两部分:一是直接辐射贡献,即气溶胶对太阳辐射进行吸收、散射等引起的;二是通过改变云的微观物理特性而产生的间接影响。 首先,气溶胶对气候的影响方面,M cCo rm ick和L ud-wig认为[3],气溶胶会增加太阳辐射的反照率,进而导致地球的长期性冷却效果,而Char lso n和Pilat[4]也曾提出气溶胶对大气系统能量收支的影响,即气溶胶透过吸收、散射和放射过程直接影响地球能量的收支。其次,在卫星数据校正方面,气溶胶对卫星信号的贡献是很难准确估算的部分,因而通过研究气溶胶的光学特性必然会提高估算的准确性。 利用地面的光谱辐射计对大气进行观测,是目前广泛使用的研究大气特性的方法之一。其中自动太阳光度计是一种不受天气限制、自动跟踪并存储数据的辐射计,在世界范围内得到认可并大量使用,例如A ERO N ET气溶胶观测网[5]采用的就是这种仪器。CE318具有天空辐亮度扫描的 收稿日期:2006-01-20功能,利用其测量数据可反演气溶胶粒子谱分布、散射相函数等信息。本文以2000年10月27日、30日海南三亚的观测数据为例,利用CE318多角度的天空扫描数据,采用非线性数值方法对气溶胶光学特性反演方法进行了研究。 2 太阳光度计测量原理 CE318是法国CIM EL公司生产的一种自动跟踪扫描太阳辐射计,该仪器在可见近红外设有8个观测通道,它不仅能自动跟踪太阳作太阳直射辐射测量,而且可以进行太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。CE318能自动存储和传输测量数据,实现自动测量采集和远程数据传输。CE318天空扫描主要有两种模式:平维圈扫描和主平面扫描。平维圈扫描是指观测时保持仪器的天顶角与太阳天顶角相同,而仪器与太阳的相对方位角逐渐变化;主平面扫描是指观测时仪器与太阳之间的相对方位角不变,而仪器的天顶角变化[5]。 CI M EL318辐射计测量太阳直射辐射F和漫射辐射E: F=F0ex p(-m S)(1) E(H0,<)≡E(()=m XS P(()F$8+q(()(2)式中:F0是大气层外的辐射通量;S是总的大气光学厚度; m是大气光学质量;H0是太阳天顶角;<是观测的方位角;(是散射角;X是整个大气层内单次反照率;P(()是总的相函数(包括瑞利散射和气溶胶散射两部分);$8是观测辐射计的立体观测角;q(()表示多次散射的贡献[6]。 为了减少仪器带来的系统误差,我们将观测数据用太阳直射辐射进行标准化,即: E(()≡ m XS P(()F$8+q(() Fm$8 =XS P(()+r(()(3) 通过多角度的天空扫描,我们可以通过非线性数值方 第25卷 第3期2006年9月 海 洋 技 术 OCEAN T ECHNOLOGY Vol.25,No.3 Sept,2006 光学材料特性表： 常用光学塑料-聚甲基丙烯甲酯PMMA 密度(kg/m3)：(1.17～1.20)×10E3 nD ν：1.49 57.2～57.8 透过率(%)：90～92 吸水率(%)：0.3～0.4 玻璃化温度：10E5 熔点（或粘流温度）：160～200 马丁耐热：68 热变形温度：74～109(4.6 ×10Pa) 68～99(18.5×10Pa) 线膨胀系数：(5～9)×10E-5 计算收缩率(%)：1.5～1.8 比热J/kgK：1465 导热系数W/m K：0.167～0.251 燃烧性m/min：慢 耐酸性及对盐溶液的稳定性：出强氧化酸外，对弱碱较稳定 耐碱性：对强碱有侵蚀对弱碱较稳定 耐油性：对动植物油，矿物油稳定 耐有机溶剂性：对芳香族，氯化烃等能溶解，醇类脂肪族无影响日光及耐气候性：紫外透过滤73.5% 常用光学塑料-苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物 密度(kg/m3)：(1.12～1.16)×10E3 nD ν：1.533 42.4 透过率(%)：90 吸水率(%)：0.2 玻璃化温度： 熔点（或粘流温度）： 马丁耐热：<60 热变形温度：85～99 (18.5×105Pa) 线膨胀系数：(6～8)×10E-5 计算收缩率(%)： 比热J/kgK： 导热系数W/m K：0.125～0.167 燃烧性m/min：慢 耐酸性及对盐溶液的稳定性：除强氧化酸外，对酸盐水均稳定 耐碱性：对强碱有侵蚀，对弱碱较稳定 耐油性：对动植物油，矿物油稳定 耐有机溶剂性：对芳香族，氯化烃等能溶解，醇类脂肪族无影响 日光及耐气候性：紫外透过滤73.5% 常用光学塑料-聚碳酸酯PC 密度(kg/m3)：1.2 ×10E3 nD ν：1.586(25) 29.9 透过率(%)：80～90 吸水率(%)：23CRH50% 0.15 水中0.35 玻璃化温度：149 熔点（或粘流温度）：225～250(267) 马丁耐热：116～129 热变形温度：132～141(4.6×105Pa) 132138(18.5×105Pa) 线膨胀系数：6×10-5 计算收缩率(%)：0.5～0.7 比热J/kgK：1256 导热系数W/m K：0.193 燃烧性m/min：自熄 耐酸性及对盐溶液的稳定性：强氧化剂有破坏作用，在高于60水中水解，对稀酸，盐，水稳定 耐碱性：强碱溶液，氨和胺类能腐蚀和分解，弱碱影响较轻 耐油性：对动物油和多数烃油及其酯类稳定 耐有机溶剂性：溶于氯化烃和部分酮，酯及芳香烃中，不溶于脂肪族，碳氢化合物，醚和醇类 日光及耐气候性：日光照射微脆化 常用光学塑料-烯丙基二甘碳酸酯CR39 密度(kg/m3)：25 1.32×10E3 nD ν：1.498 53.6～57.8 透过率(%)：92 吸水率(%)：0.2 24h 25 玻璃化温度： 光波可具有不同偏振态，实际工作中经常需要改变光波的偏振态或检测光波的偏振态。由于光波的偏振态是由其正交振动的振幅比与相位差所决定，因此改变这两个参量，就可以改变光波的偏振态。利用光通过晶体，聚合物或液晶可以改变入射光的相位差的特点而制作的一类光学器件，我们称之为波片，或相位延迟器（retarder）。 波片的类型： 波片按结构来分，有多级波片（multiple-order wave plate），胶合零级波片或称复合波片（compound zero-order wave plate）及真零级波片（true zero-order）。 真零级波片，延迟量的波长敏感度低，温度稳定性高，接受有效角度大，性能大大由于其他两种波片。但真零级波片往往非常的薄，以石英为例，其在可见光部分双折射系数约为~0.0092。一个550nm为中心波长的真零级石英波片其厚度只有15um。如此薄的波片在制造和使用上都会遇到不少困难。 多级波片的厚度等于多个全波厚度（n×waves）加一个所需延迟量厚度。多级波片相对比较容易制造，缺点是其对波长，温度，入射角均很敏感。 胶合零级波片（复合波片）是将两个多级波片胶合在一起。通过将一个波片的快轴和另一个波片的慢轴对准以消除全波光程差，仅留下所需的光程差。胶合波片可以在一定程度上改善温度对波片的影响，但另一个结果是其增加了波片延迟量对入射角度及波长的敏感性。 波片按材料分，常见的有各种晶体波片，和聚合物波片，液晶波片。常用的晶体包括云母，方解石，石英等。 如前所述，石英因为双折射系数过大，一般只适合做多级或胶合零级波片。。 云母可以被很精细的劈开的天然晶体，可以用来做真零级波片。但云母波片的缺点是口径一般比较小，整个平面的均一性比较差，并且长时间使用的光学质量及可靠性也比较差。 相比石英而言，聚合物材料的双折射系数比较小，所以更适合制造真零级波片，尤其是在可见波段。各种聚合物在不同波段的色散程度不同，所以对不同应用要考虑用不同类型的聚合物。 消色差波片是由几层不同的聚合物或晶体精确对准层叠而成的。消色差波片主要优点是在一定的带宽之内延迟量对波长的变化不敏感。 液晶波片（液晶相位延迟器）是一种新型的可控相位延迟器。通过控制加在液晶两边的电压，可以改变液晶的双折射系数，从而改变通过液晶波片光的相位差。 真零级波片，延迟量的波长敏感度低，温度稳定性高，接受有效角度大，性能大大优于其他两种波片。 多级波片的厚度等于多个全波厚度（n×waves）加一个所需延迟量厚度。多级波片相对比较容易制造，缺点是其对波长，温度，入射角均很敏感。 胶合零级波片（复合波片）是将两个多级波片胶合在一起。通过将一个波片的快轴和另一个波片的慢轴对准以消除全波光程差，仅留下所需的光程差。胶合波片可以在一定程度上改善温度 纳米材料的光学特性 美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 1 纳米材料的分类和结构 根据不同的结构，纳米材料可分为四类，即：纳米结构晶体或三维纳米结构；二维纳米结构或纤维状纳米结构；一维纳米结构或层状纳米结构和零维原子簇或簇组装。纳米材料的分类如图表1所示。纳米材料包括晶体、赝晶体、无定性金属、陶瓷和化合物。 2 纳米材料的光学性质 纳米材料在结构上与常规晶态和非晶态材料有很大差别，突出地表现在小尺寸颗粒和庞大的体积百分数的界面，界面原子排列和键的组态的较大无规则性。这就使纳米材料的光学性质出现了一些不同于常规材料的新现象。 纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，主要集中在纳米氧化物、氮化物和纳米半导体材料上，如纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了异常红外振动吸收，纳米晶粒构成的Si膜的红外吸收中观察到了红外吸收带随沉积温度增加出现频移的现象，非晶纳米氮化硅中观察到了频移和吸收带的宽化且红外吸收强度强烈地依赖于退火温度等现象。对于以上现象的解释基于纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、晶场效应、尺寸分布效应和界面效应。目前，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。 半导体硅是一种间接带隙半导体材料，在通常情况下，发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm或更小时，其能带结构发生了变化，带边向高能态迁移，观察到了很强的可见光发射。研究纳米晶Ge的光致发光时，发现当Ge晶体的尺寸减小到4nm以下时，即可产生很强的可见光发射，并认为纳料晶的结构与金刚石结构的Ge 不同，这些Ge纳米晶可能具有直接光跃迁的性质。Y.Masumato发现掺CuCl纳米晶体的NaCl在高密度激光下能产生双激子发光,并导致激光的产生,其光学增益比CuCl 大晶体高得多。不断的研究发现另外一些材料，例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等，当它们的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也同样观察到常规材料中根本没有的发光观象。纳米材料的特有发光现象的研究目前正处在开始阶段，综观研究情况，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则，量子限域效应，缺陷能级和杂质能级等方面。 纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分；受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化，纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律，因而其具有不同的非线性光学效应。 纳米材料非线性光学效应可分为共振光学非线性效应和非共振非线性光学效应。非共振非线性光学效应是指用高于纳米材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。共振光学非线性效应是指用波长低于共振吸收区的光照射样品而导致的光学非线性效应，其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性，电子结构的非线性使纳米材料的非线性响应显著增大。目前，主要采用Z-扫找（Z-SCAN）和DFWM技术来测量纳米材料的光学非线性。 光子晶体及光子晶体光纤的研究现状与发展趋势 摘要：光子晶体光纤（PCF）由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，在短短的十年内PCF的研究取得了很大的进展。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF的发展以及最新成果。 关键词：光子晶体光子晶体光纤光子晶体光纤激光器 1、前言 光子晶体光纤（photoniccrystalfiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF的发展以及最新成果。 2、光子晶体光纤的导光原理 按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 2.1折射率导光机理 周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF 中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。 2.2光子能隙导光机理 理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。 空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光 第2章 气溶胶光学厚度反演的原理和方法 气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth ）简称AOD ，定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分，描述的是气溶胶对光的消减作用[7]。它是气溶胶最重要的参数之一，表征大气浑浊程度的关键物理量，也是确定气溶胶气候效应的重要因素。。通常高的AOD 值预示着气溶胶纵向积累的增长，因此导致了大气能见度的降低。现阶段对于AOD 的监测主要有地基遥感和卫星遥感两种方法。其中地基遥感又有多种形式：多波段光度计遥感、全波段太阳直接辐射遥感、激光雷达遥感等。其中多波段光度计遥感是目前地基遥感研究中采用的最广泛的方法。美国NASA 和法国LOA-PHOTONS 联合建立的全球地基气溶胶遥感观测网AERONET 所使用的就是多波段太阳光度计（Sun/Sky Photomerers ），在全球共布设1217个站点长期观测全球气溶胶的光学特性，积累了大量的AOD 数据，并用作检测气溶胶光学厚度反演精度的标准。而近年来卫星遥感技术的快速发展，多种传感器被用来研究气溶胶特性，加上经济发展带来的大气污染问题使得利用卫星遥感资料反演AOD 成为热门课题。 2.1 气溶胶光学厚度反演的基本原理 大气光学厚度是指沿辐射传输路径单位截面上气体吸收和粒子散射产生的总消弱，是无纲量值。在可见光和近红外波段，它可以由下列公式计算得出： )()()()()()(a 21m λτ+λτ+λτ+λτ+λτ=λτμωω (2-1) 其中)(λτ表示大气总的光学厚度，)(m λτ表示整层大气的分子散射光学厚度，)(1λτω表示氧气的吸收光学厚度，)(2λτω表示臭氧的吸收光学厚度，)(λτμ表示 水汽的吸收光学厚度，)(a λτ表示气溶胶光学厚度[21; 22]。 卫星遥感反演大气气溶胶是利用卫星传感器探测到的大气顶部的反射率，也称为表观反射率，可以表示为[23]： F /L s s * μπ=ρ (2-2) 光波的偏振态是由正交振动的振幅比和相位差决定。 波片，又称为相位延迟片，它是由双折射的材料加工而成。它使通过波片的两个互相正交的偏振分量产生相位偏移，可用来调整光束的偏振状态。常见的波片由石英晶体制作而成，主要为二分之一波片和四分之一波片。订购波片时，需要指出波长，相位，口径和具体波片类型（零级或者多级）。 半波片线偏振光通过二分之一波片后，仍为线偏振光，但是，其合振动的振动面与入射线偏振光的振动面转过2θ。若θ=45°，则出射光的振动面与原入射光的振动面垂直，也就是说，当θ=45°时，二分之一波片可以使偏振态旋转90°。二分之一波片还可以和PBS配合使用，旋转二分之一波片，我们可以实现可变分光比的一个分光棱镜。线偏振光经过后仍是线偏振光，偏振方向转过2δ；圆偏振光入射时，出射是旋向相反的圆偏振光。 四分之一波片偏振光的入射振动面与波片光轴的夹角θ为45°时，通过四分之一波片的光为圆偏振光，反之，当圆偏振光经过四分之一波片后，则变为线偏振光。当光两次通过四分之一波片时，作用相当于一个二分之一波片。四分之一波片还可以和PBS配合使用，实现光隔离器的作用。线偏振光偏振方向与其呈（不是）45度时，出射光是（椭）圆偏振光；（椭）圆偏振光通过后，出射光是线偏振光，偏振方向与光轴呈（不是）45度。 光轴在晶体里有一个或两个特定的方向，当普通光顺着这方向传播 时并不会产生双折射，这方向称之为光轴。在晶体的界面上，与光轴平行的方向称为快轴，与光轴垂直的方向则称为慢轴。 偏振分光棱镜PBS （Polarizing Cube Beam Splitters）把处于随机偏振态的光分束为两相互正交的线偏振光。S光 90deg反射P光透射。 光的双折射 AOM 1、半导体的能带位置 半导体的带隙宽度决定了催化剂的光学吸收性能。半导体的光学吸收阈值λg与Eg有关，其关系式为：λg=1240/Eg。半导体的能带位置和被吸附物质的氧化还原电势，从本质上决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低（更正）；而给体电势比半导体价带电势高（更负）。导带与价带的氧化还原电位对光催化活性具有更重要的影响。通常价带顶VBT越正，空穴的氧化能力越强，导带底CBB越负，电子的还原能力越强。价带或导带的离域性越好，光生电子或空穴的迁移能力越强，越有利于发生氧化还原反应。对于用于光解水的光催化剂，导带底位置必须比H+/H 2 O的氧化 还原势负，才能产生H 2，价带顶必须比O 2 /H 2 O(+的氧化还原势正，才能产生O 2 ,。 因此发生光解水必须具有合适的导带和价带位置，而且考虑到超电压的存在，半 导体禁带宽度Eg应至少大于。目前常被用作催化剂的半导体大多数具有较大的禁带宽度，这使得电子-空穴具有较强的氧化还原能力。 2、光生电子和空穴的分离和捕获 光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的是分离和复合两个相互竞争的过程。对于光催化反应来说，光生电子和空穴的分离与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴的捕获剂，分离的电子和空穴可能在半导体粒子内部或表面复合并放出荧光或热量。空穴捕获剂通常是光催化剂表面吸附的OH-基团或水分子，可能生成活性物种·OH，它无论是在吸附相还是在溶液相都易引发物质的氧化还原反应，是强氧化剂。光生电子的捕获剂主要是吸附于光催化剂表面上的氧，它既能够抑制电子与空穴的复合，同时也是氧化剂，可以氧化已经羟基化的反应产物。 3、晶体结构 除了对晶胞单元的主要金属氧化物的四面体或八面体单元的偶极矩的影响，晶体结构（晶系、晶胞参数等）也影响半导体的光催化活性。TiO 2 是目前认为最 好的光催化剂之一。TiO 2 主要有两种晶型—锐钛矿和金红石，两种晶型结构均可 由相互连接的TiO 6 八面体表示，两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同。结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿的质量密度略小于金红石，且带间隙（）略大于金红石（），这是其光催化活性比金红石的高。 4、晶格缺陷 根据热力学第三定律，除了在绝对零度，所有的物理系统都存在不同程度的不规则分布，实际晶体都是近似的空间点阵式结构，总有一种或几种结构上的缺陷。当有微量杂质元素掺入晶体时，也可能形成杂质置换缺陷。这些缺陷的存在综述光子晶体的研究进展
气溶胶光学特性的反演方法研究
光学材料特性
光学波片原理及种类
纳米材料的光学特性
光子晶体发展及种类
气溶胶光学厚度
光学
影响纳米材料光催化性能的因素
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