可见光

可见光（visible light）是电磁波谱中人类可看见的电磁波，波长范围大致为380至780nm，频率为385MHz至790MHz。在可见光谱范围内，波长最短的是紫光，稍长的是蓝光，以后的顺序是青光、绿光、黄光、橙光和红光，其中红光的波长最长。

可见光是可以被人类的眼睛以光的形式接收的一种电磁波，波长范围大致为380至780nm。在可见光区段内，不同波长的光波呈现出肉眼可见的不同颜色，包括红（780～625nm ）、橙（625～590nm ）、黄（590～565nm）、绿（565～500nm )、青（500～485nm）、蓝（485～440nm ）、紫（440～380nm ）。其中，红色、绿色和蓝色被称为RGB 颜色模型，可用于从这三种原色中创建各种颜色。在可见光范围之外，比380nm更短的一段波长的辐射是紫外线，比780nm更长的一段波长的辐射是红外线。在特殊情况下，人眼对光的感受范围可以扩大到红外线和紫外线部分。可见光目前已在通信、环境、医疗、遥感等方面实现广泛应用。

光波是一定波长范围内的电磁波，在整个电磁波谱中，能引起人眼视觉刺激的只有一小部分，就称为可见光，通常可见光的波长范围取为380~780nm，频率范围取为385~790MHz，超出这个范围人眼就无法感觉。不同波长的光产生不同的颜色感觉。同一波长的光，具有相同的颜色，称为“单色光”。由不同波长的光波混合而成的光称为“复色光”。

电磁波辐射范围及可见光谱分布图

在古代，许多人都曾研究过光。有关彩虹的记录几乎可以追溯到最早有书面文字存在的时期。公元1100年，阿拉伯人阿尔-海兹恩发明第一个透镜。在春秋至东汉末时期，由于制镜技术的成熟及透明材料的利用，这个时期人们对于光的反射和折射现象的认识发展迅速。当时，不但已经把光现象作为一种研究的对象，并且运用实验手段进行探索，得到了不少规律性的认识，《墨经》就是那个时代的代表，但是后来失传了。古希腊哲学家如毕达哥拉斯（约公元前 500 年）提出了一些与光的性质相关的思想，伊壁鸠鲁（约公元前 300 年）认为光是由眼睛以外的光源发出的，当光从物体反射并进入眼睛时会产生视觉。欧几里得（约公元前 300 年）在他的《光学》中提出了反射定律，并讨论了光线在直线上的传播。中世纪，阿拉伯学者如艾尔托西略（Alhazen，约1038年）进行了关于光的折射和反射的实验，正确地将视觉归因于被动接收从物体反射的光线，建立了早期的光学理论。1672年，艾萨克·牛顿告知皇家学会成员，他进行了一项实验，证明被称为白光的阳光并不像当时人们认为的那样纯净，而是由颜色的混合物组成，这是科学史上的一个里程碑。在实验中，棱镜不会产生新的颜色，白光没有被改变，而是被分解为彩色，证明白光是各种颜色的混合物。

牛顿进行白光分解实验

17世纪，一种理论认为，光线是由微小的粒子流组成的，另一种则将光视为波浪。这两种观点都被纳入了现代光理论。牛顿认为光是由光源发出的微小粒子组成，可以分解白光的不同颜色是由不同大小的颗粒形成的，折射是由于两种物质的密度对光粒子具有更强的吸引力。根据他的理论，由于吸引力更大，密度更强的介质中的光速也应该更大。支持光粒子视图的一个基本证据是，光以直线传播。当一个小而稳定的光源照射到一个相对较大的物体上时，就可以看到这一点——物体的阴影有尖锐的边界。随后荷兰科学家惠更斯登上历史舞台，他继承了胡克的“光是一种在以太里传播的纵波”的思想，并引入了波前的概念，成功地证明了光的反射和折射定律，解释了光的衍射、双折射。特别是1690年惠更斯的伟大著作《光论》的出版，标志“波动说”达到兴盛的顶点。19世纪，光的波动理论逐渐占据主导地位。菲涅尔等人的实验证明了光的波动性质，奠定了光学波动理论的基础。同样在19世纪末，爱因斯坦提出了光的光量子假说，认为光具有粒子性质。20世纪以来，光学和电子技术的进步也使得光学成像技术取得了显著的发展。从最早的相机到现代的数字相机和高分辨率显微镜，这些技术使我们能够更深入地观察和理解可见光。近年来，随着成像新技术的发展，超高速和极高速光学成像的性能已得到显著提升，具备更高的时间分辨率、空间分辨率及更大的序列深度等。至于光谱学，它的的发展历史是很长的。如果从牛顿用三棱镜把太阳光分为七色算起，已经有三百多年了。然而，光谱学的较大发展主要是在近百年内实现的。1860年，基尔夫和本生首先将元素的特征谱线用于化学成分分析。1885年以后，许多科学家深入地研究了原子发射谱线之间的定量关系，如巴耳末、里德伯等，得到了一些光谱经验公式。二十世纪初，量子力学的创立，使现代光谱学的理论发展起来。三十年代以后，多原子分子光谱才发展起来。对分子光谱做出突出贡献的有洪特、缪利肯等人。六十年代，激光的出现改变了传统光谱学的面貌，使光谱学向高分辨、超精细方向发展，并且计算机用于光谱数据的处理，可以更快更好地得到物质结构的信息。

光谱学是光学的一个分支。光谱学研究各种物质的光谱的产生，并利用光谱研究物质结构、物质与电磁辐射相互作用以及对所含成分进行定性和定量分析。光谱学涉及的电磁频段通常从太赫兹一直延伸到X射线。通过光谱研究，可得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学，以及凝聚态物质结构等多方面的知识。

可见光可以在相当长的距离上瞬时给动物提供关于外界物体大小、形状、结构、运动方向和速度，甚至颜色和质地的信息，动物接收这些信息的机制就是视觉。携带有物体信息的光波进入眼睛后，为视网膜上的视神经细胞所接收，对信息作初步处理后，再传给大脑作进一步处理，这就是视觉原理。颜色不是光的客观属性，而是由人类的眼-脑系统进行处理和解释。物体的颜色取决于它对光照的反应。一般来说，当人类感知到某种颜色时，这意味着与它相对应的那部分光被反射或散射，其余部分被吸收。黑色物体完全吸收照射在其表面的光线，而白色物体则完全反射或散射光线。如果一个物体是透明的，它的颜色与能够穿过它而不被吸收的光相对应。有些人可以比其他人看到更远的紫色区域或红色区域，而有些动物也有不同的感官范围。例如，蜜蜂不仅能看到人类看到的一些颜色，而且对紫外线的辐射也很敏感，紫外线辐射超出了人类可见的范围。所以，虽然人眼无法检测到，但红外线和紫外线与可见光是有关的。

生理学实验表明，在中央凹中心很小的视角区域内，人眼对红色的感受最灵敏，而对蓝色和黄色不敏感，是蓝、黄色盲区，也可说是蓝黄色弱区，只能辨别红和绿，这就是人眼色觉特点。如果亮度较低，则蓝色和黄色容易与其他颜色混淆。根据人眼的这种色觉特点，人们在确定交通信号灯时，首先选择了红色和绿色，而不是蓝色和黄色。对这个小小的蓝黄色盲区，过去曾认为是由于黄斑的黄色素吸收了短波和长波光谱所造成的，后来则认为是此中央小凹区缺乏蓝色感受体，因而存在着一个蓝色暗点，这样就使颜色感觉发生了变化。由于中央凹黄色素密度最大，到视网膜边缘显著降低，视网膜中央部位和边缘部位结构的差异，造成不同视网膜区域的颜色感受性亦不一样，所以造成观察大面积和小面积颜色会有差异。

人和其他许多动物的光感受器可按其外段的形状区别为两大类，即视杆细胞和视锥细胞。视杆在低亮度情况下活动，视锥在明亮的情况下行使功能。兼有视杆、视锥的视网膜称为混合型视网膜。夜间活动的动物（如猫头鹰等）或深海的鱼类（如鳐[yáo]鱼）只含有视杆；而某些主要在白天活动的动物，如鸡、鸽、松鼠等，光感受器以视锥为主。在人的视网膜，视杆总数约为1.2亿，视锥约为600万。视杆和视锥均有外段和内段，两者以纤毛相联，外段包含视色素，内段含细胞核及各种细胞器。外段由堆积的膜盘组成，包含视色素。膜盘由原生质膜内折面成，视杆膜盘已与外段膜相分离。光感受器外段的这种特化的形态学结构具有重要的功能意义。外段膜盘包含着对光敏感的视色素，这些色素在光作用下发生的一系列光化学变化是视觉的基础，它们的分子在外段的膜盘上是有序的定向排列。质膜内折形成膜盘不仅大大增加了光感受器捕获光的能力，而且由于视色素分子在膜盘上的空间定向，使它与光的相互作用也更加有效。

人们把单色光的颜色称做光谱色，光谱色是最纯的颜色。具有一定波长的光称为单色光，但实际上，只有原子光谱才是真正的单色光，其他手段获得的所谓单色光都有一个波长范围。无论波长范围多么狭，也仍然是许多波长光混合在一起的复色光。

可见光根据波长主要有以下分类：

多色的彩虹

波粒二象性，指光同时具有波状和粒子状特征。光是波还是粒子，进而引发光的波动说和粒子说争吵百余年。“波粒二象性”这一新说使波动说和粒子说达到统一。“波粒二象性”的研究始于光的研究，这个有意义的学说最后升华为所有的物质都具有“波粒二象性”。光是波动这一问题早在17世纪初就被提出来了。以牛顿为代表的学派主张光是粒子的，而以惠更斯为代表的学派认为光是波动的。随着时间的推移，争论的双方都出示了越来越多、越来越有力的证据。经过长达三个多世纪的讨论，“最终”以光同时具有波粒二象性而告终。

折射率随光波频率而变化的现象，称为色散。从现象上来说，棱镜将白光传播到光谱中，因为每种颜色在棱镜中的速度略有不同，因此每种颜色在进入棱镜时弯曲（折射）略有不同，在离开棱镜时再次弯曲（折射）。紫颜色的光传播速度最慢，折射最大，而红光传播最快，其弯曲最小。这种将白光扩散到光谱中被称为色散。物理学家通常将色散定义为不同颜色在物质内以不同速度移动。 从原理角度来讲，在真空里光波是以常速传播的电磁波， 但在介质中光电磁场与介质中的分子(原子)相互作用，使电子和正离子发生相对位移，从而产生电极化。这样，光在介质中的传播相速度就与光波的频率有关。由Maxwell公式可知， 这时折射率n与光波的频率有关。 所以白光经过棱镜的折射后，就分解成彩色的光谱，即色散现象。

光的色散现象

使不同的色光同时进入人眼以产生新的颜色，这种方法称做混色。把红、绿、蓝三束色光叠照在一起，如果比例恰当，甚至可混出白光。因此，人们特别把红、绿、蓝称为加法混色中的三原色。太阳光可经棱镜而色散为各种颜色的单色光。反过来，人们又从许多实验发现，如将不同强度的红光、绿光和蓝光相互叠照在一起，也可以得到各种颜色，包括许多光谱色。这是因为共同映入人眼的三束色光产生了混色的效果。类似的色光混合效果还可以通过两束色光在时间上交替进入人眼而产生，但交替的频率必须超过人眼分辨的能力。

光和其他所有的电磁辐射一样，在真空中约以3x10m/s的速度沿直线传播。当光通过某种媒质时，例如空气或玻璃，其传播速度会减小。光在真空中的速度和在媒质中的速度的比值就称为该媒质的折射率。任何类型的波，其传播速度，等于波长λ和频率f的乘积。其中，频率由每秒内通过某一个固定点的波数所确定。例如，波长为400nm的紫色光，在真空中的频率为7.5x10Hz；而波长为750mm的红色光，在真空中的频率为4x10Hz。当光从一种媒质传播到另一种媒质时，频率不会改变，但随着速度的变化会引起波长的相应变化。当提到光的波长而未提及媒质时，通常是指光在空气中的波长。光在空气中的波长仅比真空中的波长稍短一点，因为空气的折射率略大于1。

照明应用的定义是人类利用被观看的物体所反射的二级光来观察事物的应用。自从爱迪生发明实用的白炽灯泡以来，光照明应用领域发生了前所未有的转折。从20世纪初白炽灯流行普及开始，几乎所有的人工照明都是被某种电力方式驱动。白炽灯有较宽的工作电压范围，从电池提供的几伏电压到市电电压，并且价格低廉，不需要附加电路，且随处都可以买到。白炽灯的主要应用依然是家庭照明以及需要密集的低工作电压灯的地方，如手电筒、控制台照明等。在白炽灯后，从21世纪40年代开始，有过各种类型的放电灯。其中包括各种荧光灯和高强度放电(HID)灯，其基本发光原理都是通过被电离的气体放电。在各种照明形式中，荧光灯主导着商业和工业照明，并且在世界的人工明中荧光灯占据着绝大部分。

可见光可用于通信的集成传感、照明和通信研究。可见光通信提供丰富且无需授权的频谱资源，传输速率高，保密性强以及抗电磁干扰等。以可见光作为激光的通信器件发射功率较高，抗辐照能力强，激光束散角小，有望应用于星间大容量长距离通信链路传输。

波分复用可见光激光通信系统的示意图

可见光的波长较长，能量较低，但通过材料改性，如掺杂、固溶体形成、敏化和等离子体光催化等方法，可以使光催化材料有效吸收可见光，进而提高光催化效率。利用可见光催化剂中光生电荷载流子的氧化还原能力降解全氟烷基物质（PFASs）等典型的持久性有机污染物的研究。在污水处理领域，可见光光催化剂展现出了强大的氧化还原活性，能够有效地分解多种有机物质，最终将它们转化为无害的二氧化碳（CO2）、水（H2O）以及一些简单的无机化合物。此外，这类催化剂还能氧化并去除有毒的无机物质。 在空气净化方面，可见光光催化剂同样发挥着重要作用，能够氧化并清除空气中的氮氧化物、硫化物以及其他有害气体，同时对于甲醛和甲苯等挥发性有机化合物也具有一定的降解效果。 在新能源的开发与利用方面，半导体光催化剂在可见光的照射下，能够促进水分子的光解，进而制取氢气，这被认为是一种理想的氢能开发方式。此外，通过光催化技术将二氧化碳（CO2）转化为有价值的太阳能燃料，不仅为解决能源危机提供了一种潜在的解决方案，同时也为应对环境问题开辟了新的途径。

光催化降解机理

光动力疗法是一种很有前途的癌症治疗方法，它使用光敏剂吸收适当波长的光的激发能量，并转移到周围的氧分子中，从而产生单线态氧。光动力疗法对癌细胞和血管均有损伤，并具有最小的侵入性、良好的耐受性和特异性癌症靶向性。由于光敏剂在光动力治疗中起着至关重要的作用，因此人们致力于开发具有高单线态氧量子产率和良好生物相容性的新一代光敏剂。例如，在可见光催化条件下研究复合材料Fenton作用对细胞的凋亡诱导作用和细胞周期的影响，并对抗肿瘤作用机理进行探讨。结果表明，该复合材料在可见光条件下对肿瘤细胞具有明显的杀伤作用，能抑制Hela细胞增殖，在抗肿瘤治疗应用中具有良好的应用前景。

光催化后对细胞增殖的抑制作用对照

遥感是20世纪60年代发展起来的一门对地观测综合性技术。自20世纪80年代以来，遥感技术得到了长足的发展，遥感技术的应用也日趋广泛。高分辨率的可见光遥感（visible spectral remote sensing）图像中包含着大量的地物信息，对这些信息进行充分分析与利用显得格外重要。可见光遥感图像目标检测正是一种遥感影像解译的方式，它运用现代光学、电子学探测仪器，在一幅给定的航空或卫星图像中确定是否包含一个或多个目标，并确定每个预测目标在图像中的位置，不与目标物相接触，从远距离把目标物的电磁波特性记录下来，通过分析、解译揭示出目标物本身的特征、性质及其变化规律。近年来，对遥感图像中典型目标的检测在资源利用、城市规划、军事目标识别、战场环境仿真等诸多领域都发挥着重要作用。

不同传感器下海面遥感图像

太阳是主要的自然光源。太阳光由无限多种单色光组成，在可见光范围内，太阳光可分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光。在到达地面的太阳光中，53%是红外线（波长大于700nm），44%为可见光。

热辐射光源、气体放电光源和固态照明光源是可见光的三大类主要人造光源。传统光源中常用的有白炽灯、低压钠灯、低压汞灯以及锌、镉、铊、钾、铷[rú]、铯[sè]等的空心阴极灯或它们的汞齐灯。这些特殊的光源可用于干涉仪、折射仪和单色仪等仪器中作为单色光源。除此之外，专用于紫外区和红外区的光源有紫外光源和红外光源。汞灯是常用的紫外辐射光源，低压汞灯的辐射以253.7纳米为主，中等气压时300~400纳米的辐射较强。高压汞灯的长波紫外辐射丰富。氙灯也是很强的紫外光源，在紫外区的辐射是连续的。。固态照明光源主要有发光二极管(LED)和有机发光二极管(OLED)两大类。固态照明光源已明显呈现出超过热辐射光源和气体放电光源的许多优势。其研制成果和产品，预期将使人类的21世纪照明成为固态光源的时代。

在光谱分析中，可见光被最早用于目视比色分析，以确定物质所含某成分的量。继之而发展起来的光电比色计、光电分光光度计，亦主要用于比色分析、可见光光度分析、测定样品中金属含量。

紫外-可见分光光度计

1.测量原理紫外-可见吸收光谱法，又名分光光度法，属于分子吸收光谱方法，是利用分子对外来辐射的吸收特性建立起来的分析方法，是基于测量物质对180~800nm波长范围内紫外-可见光吸收程度的一种分析方法。紫外-可见吸收光谱法具有许多特点，它既可以利用物质本身对不同波长光的吸收特性，也可以借助化学反应改变待测物质对光的吸收特性，因而广泛应用于各种物质的定性和定量分析。紫外-可见吸收光谱法具有灵敏度高、准确度好，仪器价格低廉，仪器结构简单，操作简便等优点，该方法在分析化学、生物化学、药物分析、食品检验、环境保护等领域中均有重要应用。2.仪器结构分光光度法所采用的仪器称为分光光度计。紫外-可见分光光度计按其光学系统可分为单光束和双光束分光光度计、单波长和双波长分光光度计。分光光度计主要由光源、单色器、样品池、检测器和记录器组成。

分光光度计组成示意图

1.测量原理分光辐射亮度计是测量光源光谱能量分布的最理想仪器，不仅能测量辐射度值或光度值，还可以测量色度值。这种仪器测量光源的辐射光谱，并计算得到所需的参数，例如色度或亮度。无论是使用光栅分光，还是用棱镜分光，仪器测得的光源数据都是一致的。2.仪器结构CS-2000可以对颜色及外观，显示器的各项数据进行检测，主要由CS-2000 主机，镜头盖CS-AI，ND 滤镜，CCD 取景适配器，近摄镜，云台，外接计算机组成。

CS-200型分光辐射亮度计

随着技术的发展和生活需求的增加，人眼在人造光的暴露时长增加。现代社会在生活方式上低估了非自然照明或光污染的后果，光污染可能对人们的健康产生强烈影响，人造光源的影响可能对视网膜健康产生直接影响。比如，持续暴露于光污染促进的不同波长和强度的光下，可能会因光感受器或视网膜色素上皮细胞死亡而产生视网膜变性。

可见光也与皮肤光老化有关。蓝光可诱导皮肤光老化的发生，且这一作用在可见光中为波长特异性。例如，阳光中的蓝光辐射照度最高。而日常生活中，无时无刻在接触的各种光源中蓝光的也存在着一定的辐射照度，对皮肤有累积效应。

红外线(Infraredray)是波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长在750nm~1mm，是比红光长的非可见光。我们把红光之外的辐射叫做红外线，与可见光不同，是肉眼不可见的电磁辐射。红外线的特点红外线波长较长，波长按由长到短顺序，包括无线电、微波、红外线、可见光，给人的感觉是热的感觉，产生的效应是热效应。

紫外线(Ultravioletrays)指的是电磁波谱中波长从10~400nm辐射的总称，不能引起人们的视觉。1801年德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光，因而发现了紫外线的存在。紫外线可以用来灭菌，与可见光，红外线不同，过多的紫外线进入体内会导致皮肤癌。虽然紫外线位于光谱中紫色光之外，为不可见光，但它能使许多物质激发荧光，如很容易让照相底片感光。