光子学设计基础：电磁波谱与光速

至此，本章内容已经使用相当一般的术语和符号（而非数字）介绍了光学现象。引证某些数字会更有助于巩固这种思想。

波动方程可以得到单频正弦解，并且对频率没有限制。此外，当同时出现多种频率分量时，该方程仍然成立。若它们与相位有关，则通过众所周知的傅里叶（Fourier）合成过程，多种波形的叠加可以得到一个确定的时间函数。如果分量的相对相位随时间变化，则称为“非相干光”；该情况下若频率的散布超过了光学探测器（例如人眼）的带宽，有时候就称这种光波为“白”光。

电磁波谱表示如图1.4所示。理论上，频率范围从（几乎）零到无穷大。实际上，电磁波的波源不可能比其发射的波长更小，所以，其范围是从极低频率（约10³Hz）的辐射波（λ约为300km）到极高频率（约10²⁰Hz）的γ辐射，主要受限于产生更高频率需要非常高的能量。

图1.4　电磁波谱

宇宙中最高能的活动过程与星球和星系（超新星，黑洞）的生息破坏有关，也是提供具有最高可观测频率辐射的辐射源。(www.xing528.com)

可见光辐射范围为400～700nm（nanometer，纳米，1nm=10^-9m），对应的频率范围为7.5×10¹⁴～4.3×10¹⁴Hz。该辐射范围与太阳光在地球表面很宽的一个极大光谱强度分布相一致，所以，人眼对这种辐射光谱较敏感：对其他光谱范围，很可能眼睛只感知其是否最亮。

红外光谱区域恰好位于700nm之外，通常延伸到约300000nm（=300μm，为减少零的个数，红外波长常常使用单位μm）。

紫外光谱区域低于400nm，高于3nm。很明显，由于光谱是连续的，所有这些分类都是较随意和武断的。

值得注意的是，硅材料（一种重要的光学材料）在可见光光谱范围内的折射率约为1.47，所以这些光波在该介质中的速度接近2×10⁸m/s。相应地，在给定光学频率下（频率是个常数，当然保持不变），根据关系式λ=c/f，该介质中的波长将比空气中的波长小约30%。

重要的是，要知道波长在材料介质中是变化的，后面章节将给出一些非常著名的结论。