可見光

可見光（visible light）是電磁波譜中人類可看見的電磁波，波長范圍大致為380至780nm，頻率為385MHz至790MHz。在可見光譜范圍內，波長最短的是紫光，稍長的是藍光，以后的順序是青光、綠光、黃光、橙光和紅光，其中紅光的波長最長。

可見光是可以被人類的眼睛以光的形式接收的一種電磁波，波長范圍大致為380至780nm。在可見光區段內，不同波長的光波呈現出肉眼可見的不同顏色，包括紅（780～625nm ）、橙（625～590nm ）、黃（590～565nm）、綠（565～500nm )、青（500～485nm）、藍（485～440nm ）、紫（440～380nm ）。其中，紅色、綠色和藍色被稱為RGB 顏色模型，可用于從這三種原色中創建各種顏色。在可見光范圍之外，比380nm更短的一段波長的輻射是紫外線，比780nm更長的一段波長的輻射是紅外線。在特殊情況下，人眼對光的感受范圍可以擴大到紅外線和紫外線部分。可見光目前已在通信、環境、醫療、遙感等方面實現廣泛應用。

光波是一定波長范圍內的電磁波，在整個電磁波譜中，能引起人眼視覺刺激的只有一小部分，就稱為可見光，通常可見光的波長范圍取為380~780nm，頻率范圍取為385~790MHz，超出這個范圍人眼就無法感覺。不同波長的光產生不同的顏色感覺。同一波長的光，具有相同的顏色，稱為“單色光”。由不同波長的光波混合而成的光稱為“復色光”。

電磁波輻射范圍及可見光譜分布圖

在古代，許多人都曾研究過光。有關彩虹的記錄幾乎可以追溯到最早有書面文字存在的時期。公元1100年，阿拉伯人阿爾-海茲恩發明xxx個透鏡。在春秋至東漢末時期，由于制鏡技術的成熟及透明材料的利用，這個時期人們對于光的反射和折射現象的認識發展迅速。當時，不但已經把光現象作為一種研究的對象，并且運用實驗手段進行探索，得到了不少規律性的認識，《墨經》就是那個時代的代表，但是后來失傳了。古希臘哲學家如畢達哥拉斯（約公元前 500 年）提出了一些與光的性質相關的思想，伊壁鳩魯（約公元前 300 年）認為光是由眼睛以外的光源發出的，當光從物體反射并進入眼睛時會產生視覺。歐幾里得（約公元前 300 年）在他的《光學》中提出了反射定律，并討論了光線在直線上的傳播。中世紀，阿拉伯學者如艾爾托西略（Alhazen，約1038年）進行了關于光的折射和反射的實驗，正確地將視覺歸因于被動接收從物體反射的光線，建立了早期的光學理論。1672年，艾薩克·牛頓告知皇家學會成員，他進行了一項實驗，證明被稱為白光的陽光并不像當時人們認為的那樣純凈，而是由顏色的混合物組成，這是科學史上的一個里程碑。在實驗中，棱鏡不會產生新的顏色，白光沒有被改變，而是被分解為彩色，證明白光是各種顏色的混合物。

牛頓進行白光分解實驗

17世紀，一種理論認為，光線是由微小的粒子流組成的，另一種則將光視為波浪。這兩種觀點都被納入了現代光理論。牛頓認為光是由光源發出的微小粒子組成，可以分解白光的不同顏色是由不同大小的顆粒形成的，折射是由于兩種物質的密度對光粒子具有更強的吸引力。根據他的理論，由于吸引力更大，密度更強的介質中的光速也應該更大。支持光粒子視圖的一個基本證據是，光以直線傳播。當一個小而穩定的光源照射到一個相對較大的物體上時，就可以看到這一點——物體的陰影有尖銳的邊界。隨后荷蘭科學家惠更斯登上歷史舞臺，他繼承了胡克的“光是一種在以太里傳播的縱波”的思想，并引入了波前的概念，成功地證明了光的反射和折射定律，解釋了光的衍射、雙折射。特別是1690年惠更斯的偉大著作《光論》的出版，標志“波動說”達到興盛的頂點。19世紀，光的波動理論逐漸占據主導地位。菲涅爾等人的實驗證明了光的波動性質，奠定了光學波動理論的基礎。同樣在19世紀末，愛因斯坦提出了光的光量子假說，認為光具有粒子性質。20世紀以來，光學和電子技術的進步也使得光學成像技術取得了顯著的發展。從最早的相機到現代的數字相機和高分辨率顯微鏡，這些技術使我們能夠更深入地觀察和理解可見光。近年來，隨著成像新技術的發展，超高速和極高速光學成像的性能已得到顯著提升，具備更高的時間分辨率、空間分辨率及更大的序列深度等。至于光譜學，它的的發展歷史是很長的。如果從牛頓用三棱鏡把太陽光分為七色算起，已經有三百多年了。然而，光譜學的較大發展主要是在近百年內實現的。1860年，基爾夫和本生首先將元素的特征譜線用于化學成分分析。1885年以后，許多科學家深入地研究了原子發射譜線之間的定量關系，如巴耳末、里德伯等，得到了一些光譜經驗公式。二十世紀初，量子力學的創立，使現代光譜學的理論發展起來。三十年代以后，多原子分子光譜才發展起來。對分子光譜做出突出貢獻的有洪特、繆利肯等人。六十年代，激光的出現改變了傳統光譜學的面貌，使光譜學向高分辨、超精細方向發展，并且計算機用于光譜數據的處理，可以更快更好地得到物質結構的信息。

光譜學是光學的一個分支。光譜學研究各種物質的光譜的產生，并利用光譜研究物質結構、物質與電磁輻射相互作用以及對所含成分進行定性和定量分析。光譜學涉及的電磁頻段通常從太赫茲一直延伸到X射線。通過光譜研究，可得到原子、分子等的能級結構、能級壽命、電子的組態、分子的幾何形狀、化學鍵的性質、反應動力學，以及凝聚態物質結構等多方面的知識。

可見光可以在相當長的距離上瞬時給動物提供關于外界物體大小、形狀、結構、運動方向和速度，甚至顏色和質地的信息，動物接收這些信息的機制就是視覺。攜帶有物體信息的光波進入眼睛后，為視網膜上的視神經細胞所接收，對信息作初步處理后，再傳給大腦作進一步處理，這就是視覺原理。顏色不是光的客觀屬性，而是由人類的眼-腦系統進行處理和解釋。物體的顏色取決于它對光照的反應。一般來說，當人類感知到某種顏色時，這意味著與它相對應的那部分光被反射或散射，其余部分被吸收。黑色物體完全吸收照射在其表面的光線，而白色物體則完全反射或散射光線。如果一個物體是透明的，它的顏色與能夠穿過它而不被吸收的光相對應。有些人可以比其他人看到更遠的紫色區域或紅色區域，而有些動物也有不同的感官范圍。例如，蜜蜂不僅能看到人類看到的一些顏色，而且對紫外線的輻射也很敏感，紫外線輻射超出了人類可見的范圍。所以，雖然人眼無法檢測到，但紅外線和紫外線與可見光是有關的。

生理學實驗表明，在中央凹中心很小的視角區域內，人眼對紅色的感受最靈敏，而對藍色和黃色不敏感，是藍、黃色盲區，也可說是藍黃色弱區，只能辨別紅和綠，這就是人眼色覺特點。如果亮度較低，則藍色和黃色容易與其他顏色混淆。根據人眼的這種色覺特點，人們在確定交通信號燈時，首先選擇了紅色和綠色，而不是藍色和黃色。對這個小小的藍黃色盲區，過去曾認為是由于黃斑的黃色素吸收了短波和長波光譜所造成的，后來則認為是此中央小凹區缺乏藍色感受體，因而存在著一個藍色暗點，這樣就使顏色感覺發生了變化。由于中央凹黃色素密度xxx，到視網膜邊緣顯著降低，視網膜中央部位和邊緣部位結構的差異，造成不同視網膜區域的顏色感受性亦不一樣，所以造成觀察大面積和小面積顏色會有差異。

人和其他許多動物的光感受器可按其外段的形狀區別為兩大類，即視桿細胞和視錐細胞。視桿在低亮度情況下活動，視錐在明亮的情況下行使功能。兼有視桿、視錐的視網膜稱為混合型視網膜。夜間活動的動物（如貓頭鷹等）或深海的魚類（如鰩[yáo]魚）只含有視桿；而某些主要在白天活動的動物，如雞、鴿、松鼠等，光感受器以視錐為主。在人的視網膜，視桿總數約為1.2億，視錐約為600萬。視桿和視錐均有外段和內段，兩者以纖毛相聯，外段包含視色素，內段含細胞核及各種細胞器。外段由堆積的膜盤組成，包含視色素。膜盤由原生質膜內折面成，視桿膜盤已與外段膜相分離。光感受器外段的這種特化的形態學結構具有重要的功能意義。外段膜盤包含著對光敏感的視色素，這些色素在光作用下發生的一系列光化學變化是視覺的基礎，它們的分子在外段的膜盤上是有序的定向排列。質膜內折形成膜盤不僅xxx增加了光感受器捕獲光的能力，而且由于視色素分子在膜盤上的空間定向，使它與光的相互作用也更加有效。

人們把單色光的顏色稱做光譜色，光譜色是最純的顏色。具有一定波長的光稱為單色光，但實際上，只有原子光譜才是真正的單色光，其他手段獲得的所謂單色光都有一個波長范圍。無論波長范圍多么狹，也仍然是許多波長光混合在一起的復色光。

可見光根據波長主要有以下分類：

多色的彩虹

波粒二象性，指光同時具有波狀和粒子狀特征。光是波還是粒子，進而引發光的波動說和粒子說爭吵百余年。“波粒二象性”這一新說使波動說和粒子說達到統一。“波粒二象性”的研究始于光的研究，這個有意義的學說最后升華為所有的物質都具有“波粒二象性”。光是波動這一問題早在17世紀初就被提出來了。以牛頓為代表的學派主張光是粒子的，而以惠更斯為代表的學派認為光是波動的。隨著時間的推移，爭論的雙方都出示了越來越多、越來越有力的證據。經過長達三個多世紀的討論，“最終”以光同時具有波粒二象性而告終。

折射率隨光波頻率而變化的現象，稱為色散。從現象上來說，棱鏡將白光傳播到光譜中，因為每種顏色在棱鏡中的速度略有不同，因此每種顏色在進入棱鏡時彎曲（折射）略有不同，在離開棱鏡時再次彎曲（折射）。紫顏色的光傳播速度最慢，折射xxx，而紅光傳播最快，其彎曲最小。這種將白光擴散到光譜中被稱為色散。物理學家通常將色散定義為不同顏色在物質內以不同速度移動。 從原理角度來講，在真空里光波是以常速傳播的電磁波， 但在介質中光電磁場與介質中的分子(原子)相互作用，使電子和正離子發生相對位移，從而產生電極化。這樣，光在介質中的傳播相速度就與光波的頻率有關。由Maxwell公式可知， 這時折射率n與光波的頻率有關。 所以白光經過棱鏡的折射后，就分解成彩色的光譜，即色散現象。

光的色散現象

使不同的色光同時進入人眼以產生新的顏色，這種方法稱做混色。把紅、綠、藍三束色光疊照在一起，如果比例恰當，甚至可混出白光。因此，人們特別把紅、綠、藍稱為加法混色中的三原色。太陽光可經棱鏡而色散為各種顏色的單色光。反過來，人們又從許多實驗發現，如將不同強度的紅光、綠光和藍光相互疊照在一起，也可以得到各種顏色，包括許多光譜色。這是因為共同映入人眼的三束色光產生了混色的效果。類似的色光混合效果還可以通過兩束色光在時間上交替進入人眼而產生，但交替的頻率必須超過人眼分辨的能力。

光和其他所有的電磁輻射一樣，在真空中約以3x10m/s的速度沿直線傳播。當光通過某種媒質時，例如空氣或玻璃，其傳播速度會減小。光在真空中的速度和在媒質中的速度的比值就稱為該媒質的折射率。任何類型的波，其傳播速度，等于波長λ和頻率f的乘積。其中，頻率由每秒內通過某一個固定點的波數所確定。例如，波長為400nm的紫色光，在真空中的頻率為7.5x10Hz；而波長為750mm的紅色光，在真空中的頻率為4x10Hz。當光從一種媒質傳播到另一種媒質時，頻率不會改變，但隨著速度的變化會引起波長的相應變化。當提到光的波長而未提及媒質時，通常是指光在空氣中的波長。光在空氣中的波長僅比真空中的波長稍短一點，因為空氣的折射率略大于1。

照明應用的定義是人類利用被觀看的物體所反射的二級光來觀察事物的應用。自從愛迪生發明實用的白熾燈泡以來，光照明應用領域發生了前所未有的轉折。從20世紀初白熾燈流行普及開始，幾乎所有的人工照明都是被某種電力方式驅動。白熾燈有較寬的工作電壓范圍，從電池提供的幾伏電壓到市電電壓，并且價格低廉，不需要附加電路，且隨處都可以買到。白熾燈的主要應用依然是家庭照明以及需要密集的低工作電壓燈的地方，如手電筒、控制臺照明等。在白熾燈后，從21世紀40年xxx始，有過各種類型的放電燈。其中包括各種熒光燈和高強度放電(HID)燈，其基本發光原理都是通過被電離的氣體放電。在各種照明形式中，熒光燈主導著商業和工業照明，并且在世界的人工明中熒光燈占據著絕大部分。

可見光可用于通信的集成傳感、照明和通信研究。可見光通信提供豐富且無需授權的頻譜資源，傳輸速率高，保密性強以及抗電磁干擾等。以可見光作為激光的通信器件發射功率較高，抗輻照能力強，激光束散角小，有望應用于星間大容量長距離通信鏈路傳輸。

波分復用可見光激光通信系統的示意圖

可見光的波長較長，能量較低，但通過材料改性，如摻雜、固溶體形成、敏化和等離子體光催化等方法，可以使光催化材料有效吸收可見光，進而提高光催化效率。利用可見光催化劑中光生電荷載流子的氧化還原能力降解全氟烷基物質（PFASs）等典型的持久性有機污染物的研究。在污水處理領域，可見光光催化劑展現出了強大的氧化還原活性，能夠有效地分解多種有機物質，最終將它們轉化為無害的二氧化碳（CO2）、水（H2O）以及一些簡單的無機化合物。此外，這類催化劑還能氧化并去除有毒的無機物質。 在空氣凈化方面，可見光光催化劑同樣發揮著重要作用，能夠氧化并清除空氣中的氮氧化物、硫化物以及其他有害氣體，同時對于甲醛和甲苯等揮發性有機化合物也具有一定的降解效果。 在新能源的開發與利用方面，半導體光催化劑在可見光的照射下，能夠促進水分子的光解，進而制取氫氣，這被認為是一種理想的氫能開發方式。此外，通過光催化技術將二氧化碳（CO2）轉化為有價值的太陽能燃料，不僅為解決能源危機提供了一種潛在的解決方案，同時也為應對環境問題開辟了新的途徑。

光催化降解機理

光動力療法是一種很有前途的癌癥治療方法，它使用光敏劑吸收適當波長的光的激發能量，并轉移到周圍的氧分子中，從而產生單線態氧。光動力療法對癌細胞和血管均有損傷，并具有最小的侵入性、良好的耐受性和特異性癌癥靶向性。由于光敏劑在光動力治療中起著至關重要的作用，因此人們致力于開發具有高單線態氧量子產率和良好生物相容性的新一代光敏劑。例如，在可見光催化條件下研究復合材料Fenton作用對細胞的凋亡誘導作用和細胞周期的影響，并對抗腫瘤作用機理進行探討。結果表明，該復合材料在可見光條件下對腫瘤細胞具有明顯的殺傷作用，能抑制Hela細胞增殖，在抗腫瘤治療應用中具有良好的應用前景。

光催化后對細胞增殖的抑制作用對照

遙感是20世紀60年代發展起來的一門對地觀測綜合性技術。自20世紀80年代以來，遙感技術得到了長足的發展，遙感技術的應用也日趨廣泛。高分辨率的可見光遙感（visible spectral remote sensing）圖像中包含著大量的地物信息，對這些信息進行充分分析與利用顯得格外重要。可見光遙感圖像目標檢測正是一種遙感影像解譯的方式，它運用現代光學、電子學探測儀器，在一幅給定的航空或衛星圖像中確定是否包含一個或多個目標，并確定每個預測目標在圖像中的位置，不與目標物相接觸，從遠距離把目標物的電磁波特性記錄下來，通過分析、解譯揭示出目標物本身的特征、性質及其變化規律。近年來，對遙感圖像中典型目標的檢測在資源利用、城市規劃、軍事目標識別、戰場環境仿真等諸多領域都發揮著重要作用。

不同傳感器下海面遙感圖像

太陽是主要的自然光源。太陽光由無限多種單色光組成，在可見光范圍內，太陽光可分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的光。在到達地面的太陽光中，53%是紅外線（波長大于700nm），44%為可見光。

熱輻射光源、氣體放電光源和固態照明光源是可見光的三大類主要人造光源。傳統光源中常用的有白熾燈、低壓鈉燈、低壓汞燈以及鋅、鎘、鉈、鉀、銣[rú]、銫[sè]等的空心陰極燈或它們的汞齊燈。這些特殊的光源可用于干涉儀、折射儀和單色儀等儀器中作為單色光源。除此之外，專用于紫外區和紅外區的光源有紫外光源和紅外光源。汞燈是常用的紫外輻射光源，低壓汞燈的輻射以253.7納米為主，中等氣壓時300~400納米的輻射較強。高壓汞燈的長波紫外輻射豐富。氙燈也是很強的紫外光源，在紫外區的輻射是連續的。。固態照明光源主要有發光二極管(LED)和有機發光二極管(OLED)兩大類。固態照明光源已明顯呈現出超過熱輻射光源和氣體放電光源的許多優勢。其研制成果和產品，預期將使人類的21世紀照明成為固態光源的時代。

在光譜分析中，可見光被最早用于目視比色分析，以確定物質所含某成分的量。繼之而發展起來的光電比色計、光電分光光度計，亦主要用于比色分析、可見光光度分析、測定樣品中金屬含量。

紫外-可見分光光度計

1.測量原理紫外-可見吸收光譜法，又名分光光度法，屬于分子吸收光譜方法，是利用分子對外來輻射的吸收特性建立起來的分析方法，是基于測量物質對180~800nm波長范圍內紫外-可見光吸收程度的一種分析方法。紫外-可見吸收光譜法具有許多特點，它既可以利用物質本身對不同波長光的吸收特性，也可以借助化學反應改變待測物質對光的吸收特性，因而廣泛應用于各種物質的定性和定量分析。紫外-可見吸收光譜法具有靈敏度高、準確度好，儀器價格低廉，儀器結構簡單，操作簡便等優點，該方法在分析化學、生物化學、藥物分析、食品檢驗、環境保護等領域中均有重要應用。2.儀器結構分光光度法所采用的儀器稱為分光光度計。紫外-可見分光光度計按其光學系統可分為單光束和雙光束分光光度計、單波長和雙波長分光光度計。分光光度計主要由光源、單色器、樣品池、檢測器和記錄器組成。

分光光度計組成示意圖

1.測量原理分光輻射亮度計是測量光源光譜能量分布的最理想儀器，不僅能測量輻射度值或光度值，還可以測量色度值。這種儀器測量光源的輻射光譜，并計算得到所需的參數，例如色度或亮度。無論是使用光柵分光，還是用棱鏡分光，儀器測得的光源數據都是一致的。2.儀器結構CS-2000可以對顏色及外觀，顯示器的各項數據進行檢測，主要由CS-2000 主機，鏡頭蓋CS-AI，ND 濾鏡，CCD 取景適配器，近攝鏡，云臺，外接計算機組成。

CS-200型分光輻射亮度計

隨著技術的發展和生活需求的增加，人眼在人造光的暴露時長增加。現代社會在生活方式上低估了非自然照明或光污染的后果，光污染可能對人們的健康產生強烈影響，人造光源的影響可能對視網膜健康產生直接影響。比如，持續暴露于光污染促進的不同波長和強度的光下，可能會因光感受器或視網膜色素上皮細胞死亡而產生視網膜變性。

可見光也與皮膚光老化有關。藍光可誘導皮膚光老化的發生，且這一作用在可見光中為波長特異性。例如，陽光中的藍光輻射照度最高。而日常生活中，無時無刻在接觸的各種光源中藍光的也存在著一定的輻射照度，對皮膚有累積效應。

紅外線(Infraredray)是波長介于微波與可見光之間的電磁波，波長在750nm~1mm，是比紅光長的非可見光。我們把紅光之外的輻射叫做紅外線，與可見光不同，是肉眼不可見的電磁輻射。紅外線的特點紅外線波長較長，波長按由長到短順序，包括無線電、微波、紅外線、可見光，給人的感覺是熱的感覺，產生的效應是熱效應。

紫外線(Ultravioletrays)指的是電磁波譜中波長從10~400nm輻射的總稱，不能引起人們的視覺。1801年德國物理學家里特發現在日光光譜的紫端外側一段能夠使含有溴化銀的照相底片感光，因而發現了紫外線的存在。紫外線可以用來滅菌，與可見光，紅外線不同，過多的紫外線進入體內會導致皮膚癌。雖然紫外線位于光譜中紫色光之外，為不可見光，但它能使許多物質激發熒光，如很容易讓照相底片感光。