光學性質
I.光學劃分
（一）幾何光學 (Geometrical Optics)
= 光束光學 (Ray Optics)
（二）物理光學 (Physical Optics)
= 波動光學 (Wave Optics)
（三）量子光學 (Quantum Optics)
(一 )幾何光學
對光的描述是用光線、光束 (光線的集合 ) 。
a,光的直線傳播 (Rectilinear propagation)
b,光速有限 (Finite speed of light)
c,反射 (Reflection)
d,折射 (Refraction)
e,色散 (Dispersion)
幾何光學應用
精密機械 (Precision mechanics)
透鏡設計 (lens design) 儀器光學 (Instrument optics)
光度學 (Photometry)
a,攝影儀器光學 (photographical Optical Instruments)
b,醫療生物光學 (Biomedical Optical Instruments)
c,軍用光學 (Military Optical Instruments)
d,計量光學 (Metrological Optical Instruments)
e,通訊 /資訊光學 (Comm./inform,Optical Instruments)
f,消費性產品 (consumer product)
(二 ).物理光學 (波動光學 )
?繞射 傅氏光學,光訊處理,全相術
?干涉 干涉,干涉儀
?偏振 晶體光學,液晶光學
(三 )量子光學
?光電子 (Optical Electronics)
?雷射物理 (Laser Physics)
?光子計算 (Photon Counting)
II.光學研究機構
? 美國,Rochester,Arizona,New Mexico
? 英國,Imperial College(倫敦大學帝國學院 )
? 德國,Technische Universitat
? 法國,Universite de Paris VI
光學發展史 -粒子說 (Particle models)
1621, W,Snell(英 ), 折射 (Snell’s Law)
1637, R,Descartes(法 ):折射,反射
1664, P,Fermat
觀察 ( a)自然界遵行最短距離行為
(b)光速有限
Fermat Principle 為幾何光學基楚礎
1704,I,Newton,稜鏡,色散現象 (Dispersion)
? 冕玻璃,
nF=1.52933
nD=1.52300
nC=1.52042
牛頓環
將長膠距平凸透鏡置於平面玻璃上，當光波射進平面玻離與
透鏡間時，一部分在曲面透鏡與空氣的交界面 反射，另一部
分則射至平面玻璃後再反射，這兩部分光波會發生干涉的現
象，而在透鏡面呈現一系列的同心圓彩色圈，此彩色圈稱為
「牛頓環 (Newton Ring)」
II,波動說 (wave theory)
1665, F,M,Grimaldi, 繞射
R,Hooke,干涉
1779,C,Huygens, 惠更斯第二波前理論
1802,T,Young, 雙狹縫干涉
1815,A,Fresnel, 繞射理論
偏極光反射 (Fresnel eq.)
橫波 (transverse wave)
? 1864,J.M,Maxwell, Maxwell eq,
? 結合電磁方程式為一般式,並證明電磁波具
一般波方程式
? 光速
? c=1/√?0?0 = 3*10^8 m/s
? ?0,permeability 磁導係數
? ?0,permittivity 介電常數
波動說可解釋 不能解釋：能量交換
1.干涉 1.光發射
2.繞射 2.光吸收
3.偏振 3.光電效應
III,量子論 (Quantum theory)
1900, M,Plank,黑體輻射,E = h?,
h=Plank’s constant
1905, A,Einstein,光電效應
1913, N,Bohr,氫原子模型
1922, A,Compton, Compton 效應, X-ray 散射
1924, L,de,Broglie,物質波 (wave matter) ? = h / p
1927~28,C,Davisson & L,Germer,電子繞射實驗
? 波粒雙重性 (particle-wave duality)
波 粒
E = h? ?= h / E
P = h / ? ? = h / p
波傳播 與物質互作用
1.干涉 1.光發射
2.繞射 2.光吸收
3.偏振 3.光電效應
雷射的性質
一,雷射 (激光 ):Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation
? 高亮度
? 好方向性
? 高單色性
? 高相干性
雷射發展史
? 1900,Planck, Blackbody radiation ? energy discontinuous
? 1905,Einstein,Photoelectric effect ? quantum theory
? 1917,Einstein,stimulated emission?Laser basis
? 1928,Ladenberg & Koptmann, Prove stimulated emission
? 1930,Quantum Mechanics and Spectrum Establishes
? 1950,E.M,Purcell & R,V,Pound, Population inversion
? 1951,Bosov & Prokhorov (俄 )to Propose the possibility of
Maser
? 1954,C.H,Townes (哥倫比亞 )
? 1954,C.H,Townes,prove Maser
? 1956-58,Bloembergen,Fehn,Seiel & Scoril solid Maser,
?=4170MHz,40K,P=0.07W
? 1958:Townes & Shalow, Optical maser 可行性
? 1960 autumn, T,H,Maiman(Father of Laser),
Ruby Laser(define name),?=6943A
? 1960,Javan,Bennett & Henniott, He-Ne Laser,?=1.15um
? 1961:He-Ne Laser ?=6328A
Ar Laser ?=4880,5145A
CO2-N2-Ne Laser ?=10.6um
Nd:YAG Laser ?=1.06um
? 1964,Townes,Basov & Prokhorov,Nobel Prize
? 1970 to now,application
光纖 (Optical Fiber)的性質
? 一, 光纖的特性
? Advantagesof using fiber optic cable
Characteristic Advantage
Greater bandwidth Can be used at high data rates
Small size Can be installed in existing conduit
Signal confinement No crosstalk or hum; secure
communications
Freedom from electromagnetic pulses No interference from lighting or
ground loops
Low cost Less expensive per installed voice
circuit
Security Hard to tap without detection
? 1870,T,Tyndall,光 ?水 (波導 )
? 1880:A,G,Bell,Photo-phone,wave guide theory
(single dielectric medium waveguide)
? 1954,H,Hopkins& N,Kapany,cladded dielectric
waveguide
? 1960,Ruby Laser
? 1962,semiconductor laser
? 1964,C.K,Kao & G,A,Hockman
1st optical waveguide 1000dB/km
new 0.2~2 dB/km
光電工程篇
◎ 光電介紹
◎ 光電系統
◎ 光電科技及其應用
◎ 國內 光電產業概況
光電介紹
光電 ? 光學與電子學相互結合與應用的科學
及技術
光電 的 英文字彙,
Electro-Optics (光電科技 )
Optoelectronics (光電子科技 )
Photonics (光子科技 )
光電系統
◎ 光源
◎ 光的傳輸方式
◎ 光偵測器
◎ 光的處理方式
光源
◎ 普通 光源 ? 非同調光 (incoherent light)
? 太陽
? 熱輻射燈 (白熾燈、鎢絲燈 )
? 氣體放電 燈 (鈉燈、汞燈、螢光燈 )
? 半導體光源 (白光 LED)
◎ 雷射 光源 ? 同調光 (coherent light)
? 氣體雷射 (He-Ne雷射,Ar+雷射,CO2雷射 )
? 固體雷射 (Ruby雷射,Nd:YAG雷射 )
? 液體雷射 (染料雷射 )
? 半導體雷射 (GaAs, GaAlAs, AsInAsP,GaN)
? 其它 雷射 (準分子雷射、化學雷射、自由電子雷射等 )
光的傳輸方式
◎ 密閉式傳輸 ? 將光的傳輸方向與能量限制於某種
介質之中
? 光纖 (optical fiber)
? 光波導 (optical waveguide)
◎ 開放式傳輸 ? 光訊號或能量直接在空間中傳送
? 自由空間 (例如：物體投影, 成像 )
? 大氣層
【 註 】 光纖發明人 ? 高錕博士 (Dr,Charles Kao)
光偵測器
◎ 熱偵測器 ? 對光能量的吸收所產生溫度上升效應
? 熱電偵測器 (thermoelectric detector)
? 壓電 偵測器 (piezoelectric detector)
◎ 光子偵測器 ? 對光子的吸收時率所產生之計量
? 光電二極體 (photodiode)
? 光倍增器 (photomutiplier)
? 光導偵測器 (photoconductive detector)
? 光影像偵測器 (CCD/CMOS image detector)
【 註 】 人眼是一種類似 CCD功能的絕佳的光偵測器
光的處理方式
◎ 調制 (modulation) ? 調幅,調頻、偏極與相位調變
◎ 儲存 (recording) ? 光碟,全像
◎ 顯示 (display) ? 液晶顯示器 (LCD)、發光二極體陣
列 (LED),場致發光顯示器 (EL)
◎ 計算 (computing) ? 光學互聯,光學處理器、光子
計算機
光電科技及其應用
光電
科技
基礎研究
雷射光譜 /非線性光學 /雷射
與物質交互作用 /光動力學
國防軍事
雷射雷達 /雷射導引 /紅外線
追蹤 /熱像與夜視 /雷射武器
資訊 /通訊
光學儲存
光電顯示
全像攝影
彩色印刷
光纖通訊
積體光學
工業自動化
雷射切割 /點
焊 /鑽孔
光電檢測
機器視覺
土木建築
雷射測距
準直儀
精密測定
生物 /醫學
細胞刺激
雷射刀
內外科手術
腫瘤切除
皮膚治療
醫學儀器
能源 /材料
太陽能發電 /
電池
雷射核 融合
光學晶體
材料處理
環保
空氣污染偵測
毒性粒子測定
雲層厚度測定
國內光電產業概況
◎ 光電元件 ? 磊晶片, LED,CMOS sensor
◎ 光電顯示器 ? LCD, OLED
◎ 光輸出入 ? 影像掃描器,數位相機、數位投影 機
◎光儲存 ? 光碟片, CD-RW,DVD
◎ 光通訊 ? 光通訊元件,光纖網路、光纖光纜
◎雷射及光電應用 ? 各型雷射,雷射指示器 等
I.光學劃分
（一）幾何光學 (Geometrical Optics)
= 光束光學 (Ray Optics)
（二）物理光學 (Physical Optics)
= 波動光學 (Wave Optics)
（三）量子光學 (Quantum Optics)
(一 )幾何光學
對光的描述是用光線、光束 (光線的集合 ) 。
a,光的直線傳播 (Rectilinear propagation)
b,光速有限 (Finite speed of light)
c,反射 (Reflection)
d,折射 (Refraction)
e,色散 (Dispersion)
幾何光學應用
精密機械 (Precision mechanics)
透鏡設計 (lens design) 儀器光學 (Instrument optics)
光度學 (Photometry)
a,攝影儀器光學 (photographical Optical Instruments)
b,醫療生物光學 (Biomedical Optical Instruments)
c,軍用光學 (Military Optical Instruments)
d,計量光學 (Metrological Optical Instruments)
e,通訊 /資訊光學 (Comm./inform,Optical Instruments)
f,消費性產品 (consumer product)
(二 ).物理光學 (波動光學 )
?繞射 傅氏光學,光訊處理,全相術
?干涉 干涉,干涉儀
?偏振 晶體光學,液晶光學
(三 )量子光學
?光電子 (Optical Electronics)
?雷射物理 (Laser Physics)
?光子計算 (Photon Counting)
II.光學研究機構
? 美國,Rochester,Arizona,New Mexico
? 英國,Imperial College(倫敦大學帝國學院 )
? 德國,Technische Universitat
? 法國,Universite de Paris VI
光學發展史 -粒子說 (Particle models)
1621, W,Snell(英 ), 折射 (Snell’s Law)
1637, R,Descartes(法 ):折射,反射
1664, P,Fermat
觀察 ( a)自然界遵行最短距離行為
(b)光速有限
Fermat Principle 為幾何光學基楚礎
1704,I,Newton,稜鏡,色散現象 (Dispersion)
? 冕玻璃,
nF=1.52933
nD=1.52300
nC=1.52042
牛頓環
將長膠距平凸透鏡置於平面玻璃上，當光波射進平面玻離與
透鏡間時，一部分在曲面透鏡與空氣的交界面 反射，另一部
分則射至平面玻璃後再反射，這兩部分光波會發生干涉的現
象，而在透鏡面呈現一系列的同心圓彩色圈，此彩色圈稱為
「牛頓環 (Newton Ring)」
II,波動說 (wave theory)
1665, F,M,Grimaldi, 繞射
R,Hooke,干涉
1779,C,Huygens, 惠更斯第二波前理論
1802,T,Young, 雙狹縫干涉
1815,A,Fresnel, 繞射理論
偏極光反射 (Fresnel eq.)
橫波 (transverse wave)
? 1864,J.M,Maxwell, Maxwell eq,
? 結合電磁方程式為一般式,並證明電磁波具
一般波方程式
? 光速
? c=1/√?0?0 = 3*10^8 m/s
? ?0,permeability 磁導係數
? ?0,permittivity 介電常數
波動說可解釋 不能解釋：能量交換
1.干涉 1.光發射
2.繞射 2.光吸收
3.偏振 3.光電效應
III,量子論 (Quantum theory)
1900, M,Plank,黑體輻射,E = h?,
h=Plank’s constant
1905, A,Einstein,光電效應
1913, N,Bohr,氫原子模型
1922, A,Compton, Compton 效應, X-ray 散射
1924, L,de,Broglie,物質波 (wave matter) ? = h / p
1927~28,C,Davisson & L,Germer,電子繞射實驗
? 波粒雙重性 (particle-wave duality)
波 粒
E = h? ?= h / E
P = h / ? ? = h / p
波傳播 與物質互作用
1.干涉 1.光發射
2.繞射 2.光吸收
3.偏振 3.光電效應
雷射的性質
一,雷射 (激光 ):Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation
? 高亮度
? 好方向性
? 高單色性
? 高相干性
雷射發展史
? 1900,Planck, Blackbody radiation ? energy discontinuous
? 1905,Einstein,Photoelectric effect ? quantum theory
? 1917,Einstein,stimulated emission?Laser basis
? 1928,Ladenberg & Koptmann, Prove stimulated emission
? 1930,Quantum Mechanics and Spectrum Establishes
? 1950,E.M,Purcell & R,V,Pound, Population inversion
? 1951,Bosov & Prokhorov (俄 )to Propose the possibility of
Maser
? 1954,C.H,Townes (哥倫比亞 )
? 1954,C.H,Townes,prove Maser
? 1956-58,Bloembergen,Fehn,Seiel & Scoril solid Maser,
?=4170MHz,40K,P=0.07W
? 1958:Townes & Shalow, Optical maser 可行性
? 1960 autumn, T,H,Maiman(Father of Laser),
Ruby Laser(define name),?=6943A
? 1960,Javan,Bennett & Henniott, He-Ne Laser,?=1.15um
? 1961:He-Ne Laser ?=6328A
Ar Laser ?=4880,5145A
CO2-N2-Ne Laser ?=10.6um
Nd:YAG Laser ?=1.06um
? 1964,Townes,Basov & Prokhorov,Nobel Prize
? 1970 to now,application
光纖 (Optical Fiber)的性質
? 一, 光纖的特性
? Advantagesof using fiber optic cable
Characteristic Advantage
Greater bandwidth Can be used at high data rates
Small size Can be installed in existing conduit
Signal confinement No crosstalk or hum; secure
communications
Freedom from electromagnetic pulses No interference from lighting or
ground loops
Low cost Less expensive per installed voice
circuit
Security Hard to tap without detection
? 1870,T,Tyndall,光 ?水 (波導 )
? 1880:A,G,Bell,Photo-phone,wave guide theory
(single dielectric medium waveguide)
? 1954,H,Hopkins& N,Kapany,cladded dielectric
waveguide
? 1960,Ruby Laser
? 1962,semiconductor laser
? 1964,C.K,Kao & G,A,Hockman
1st optical waveguide 1000dB/km
new 0.2~2 dB/km
光電工程篇
◎ 光電介紹
◎ 光電系統
◎ 光電科技及其應用
◎ 國內 光電產業概況
光電介紹
光電 ? 光學與電子學相互結合與應用的科學
及技術
光電 的 英文字彙,
Electro-Optics (光電科技 )
Optoelectronics (光電子科技 )
Photonics (光子科技 )
光電系統
◎ 光源
◎ 光的傳輸方式
◎ 光偵測器
◎ 光的處理方式
光源
◎ 普通 光源 ? 非同調光 (incoherent light)
? 太陽
? 熱輻射燈 (白熾燈、鎢絲燈 )
? 氣體放電 燈 (鈉燈、汞燈、螢光燈 )
? 半導體光源 (白光 LED)
◎ 雷射 光源 ? 同調光 (coherent light)
? 氣體雷射 (He-Ne雷射,Ar+雷射,CO2雷射 )
? 固體雷射 (Ruby雷射,Nd:YAG雷射 )
? 液體雷射 (染料雷射 )
? 半導體雷射 (GaAs, GaAlAs, AsInAsP,GaN)
? 其它 雷射 (準分子雷射、化學雷射、自由電子雷射等 )
光的傳輸方式
◎ 密閉式傳輸 ? 將光的傳輸方向與能量限制於某種
介質之中
? 光纖 (optical fiber)
? 光波導 (optical waveguide)
◎ 開放式傳輸 ? 光訊號或能量直接在空間中傳送
? 自由空間 (例如：物體投影, 成像 )
? 大氣層
【 註 】 光纖發明人 ? 高錕博士 (Dr,Charles Kao)
光偵測器
◎ 熱偵測器 ? 對光能量的吸收所產生溫度上升效應
? 熱電偵測器 (thermoelectric detector)
? 壓電 偵測器 (piezoelectric detector)
◎ 光子偵測器 ? 對光子的吸收時率所產生之計量
? 光電二極體 (photodiode)
? 光倍增器 (photomutiplier)
? 光導偵測器 (photoconductive detector)
? 光影像偵測器 (CCD/CMOS image detector)
【 註 】 人眼是一種類似 CCD功能的絕佳的光偵測器
光的處理方式
◎ 調制 (modulation) ? 調幅,調頻、偏極與相位調變
◎ 儲存 (recording) ? 光碟,全像
◎ 顯示 (display) ? 液晶顯示器 (LCD)、發光二極體陣
列 (LED),場致發光顯示器 (EL)
◎ 計算 (computing) ? 光學互聯,光學處理器、光子
計算機
光電科技及其應用
光電
科技
基礎研究
雷射光譜 /非線性光學 /雷射
與物質交互作用 /光動力學
國防軍事
雷射雷達 /雷射導引 /紅外線
追蹤 /熱像與夜視 /雷射武器
資訊 /通訊
光學儲存
光電顯示
全像攝影
彩色印刷
光纖通訊
積體光學
工業自動化
雷射切割 /點
焊 /鑽孔
光電檢測
機器視覺
土木建築
雷射測距
準直儀
精密測定
生物 /醫學
細胞刺激
雷射刀
內外科手術
腫瘤切除
皮膚治療
醫學儀器
能源 /材料
太陽能發電 /
電池
雷射核 融合
光學晶體
材料處理
環保
空氣污染偵測
毒性粒子測定
雲層厚度測定
國內光電產業概況
◎ 光電元件 ? 磊晶片, LED,CMOS sensor
◎ 光電顯示器 ? LCD, OLED
◎ 光輸出入 ? 影像掃描器,數位相機、數位投影 機
◎光儲存 ? 光碟片, CD-RW,DVD
◎ 光通訊 ? 光通訊元件,光纖網路、光纖光纜
◎雷射及光電應用 ? 各型雷射,雷射指示器 等
