A. 林木光谱特性是什么

（spectral characteristics of forest trees）

（张玉贵）

单株木或林分在阳光辐照下，辐射总量的反射分量、透射分量和吸收分量的电磁波波长分布特性。林业遥感技术主要利用林木在电磁波长为0.4～2.6微米的反射特性，但林木在8～14微米的热辐射特性，以及在电磁波谱的其他波段的光谱特性，也可开发为林业遥感应用的范围。

林木光谱特性是林业遥感的物理基础。不同林木的反射特性或热辐射特性确实有一定显著性的光谱差异、空间差异及物候差异，这些差异被传感器记录在胶片或磁带上，用以识别和区分林木。林木光谱测定是指在地面或空中用光电仪器定量获得林木按波长分布的反射数据。按仪器的原理不同又分为连续（或近似连续）的光谱测定和与传感器匹配的宽通道式测定。前者主要用于对林木光谱做理论研究，后者用于预测和分析已获得的遥感数据。林木光谱数据对设计传感器，选定最佳遥感季节，指导林业分类方案，判读和分析遥感影象，都有重要意义。

20世纪60年代末到70年代初期，美国等曾进行大量植物叶的光谱测定。所用仪器是室内分光光度计，测定波长为0.4～2.5微米；以测定反射率为主，同时也研究吸收率及透射率；除了探索并测定影响植物叶光谱的各种变量外，还从理论上建立了多种解释反射机制的数学模型。这是光谱测定的第一阶段。在1972年以后，由于认识到室内对植物叶的测定与现场对植冠的直接测定有相当大的差异，光谱研究人员把室内分光光度计改装为野外分光光度计，用于测定植冠光谱。这一时期，欧美的研究人员同时对植冠结构、太阳角及观测角的影响做了进一步的探索。这是光谱测定的第二阶段。由于林木高大，将仪器高举于林冠之上存在许多困难，于是出现了采样模拟测定林木光谱反射率的方式。这对选遥感波段、选最佳遥感季节及研究反射的方向特性，有一定的可行性。林木光谱测定的第三个阶段是空中实测。空中平台多数是直升机配合分光式光谱仪加数据自动记录仪。也有用气球做空中平台的。若用轻型飞机做空中平台，应配以快速取样的航空光谱仪或通道式的、与传感器通道相匹配的辐射计。

中国的林木光谱测定始于1979年末，在云南省腾冲地区用直升机做空中实测，同时在地面做采样模拟测定。以后许多单位的研究人员在全国各地做了采样模拟测定。

树叶的光学特性

树冠和林冠的主要组分是叶。人们对树叶光学特性的研究已相当深入。树叶反射、吸收和透射辐射的方式是含水色素细胞所特有的。①树叶反射：在某一波长，反射的能量总是等于入射辐射能与透射和吸收的能量之差（图1）。此关系可用下式表达：

图1 杨树的光谱特性曲线

ρλ=1-（αλ+τλ）

式中 ρλ为反射率；αλ为吸收率；τλ为透射率。光谱特性曲线由三个本质不同的区域组成。在0.4～0.72微米的可见光波段，叶细胞中的色素强烈地吸收光子，吸收是由色素分子中的电子能级跃迁决定的。因色素的吸收率高达90%，故可见光区域的反射和透射都很低。叶绿素在大约以0.45微米为中心的蓝波段和以0.67微米为中心红波段吸收了大部分入射能，而在两个叶绿素吸收带的中间，吸收减少，因而在0.54微米附近形成了反射峰。在绿色树叶中，a组叶绿素是参加光合作用的最后也是最主要的成分，其他辅助色素，在较短波长所吸收的光能，都要过渡给a组叶绿素。它的一个吸收带集中在0.675微米左右，确定了反射光谱中的最低谷值及色素吸收的边界。凡是降低树叶叶绿素生产的胁迫过程，如病虫害的侵袭，都将使蓝、红两个吸收带的吸收减少，反射上升，特别是在红色区域。②树叶吸收：在近红外区域，叶子吸收的入射能少于5%，典型的反射率可达40～50%。在0.74～1.3微米之间的反射高台，可用叶内结构的多重反射来解释。由于树叶的厚度、叶面角质层厚度、叶内构造差别很大，林木在近红外区域的反射差异比在可见光大得多。凡是导致叶内构造变化的差异，如病害、虫害、老化、火灾等，都会引起近红外光谱反射率的降低。③树叶透射辐射：在中红外区域（约1.3～2.6微米），树叶对辐射的吸收是由水分子的振动能级跃迁及转动能级跃迁引起的。水的基本振动吸收带在2.66微米.而在1.95、1.45、1.20、0.96微米的吸收带都是逐步次要的复合带，跃迁的可能性小，故此相应地对辐射的吸收也弱得多。但是，不仅仅是这几个水的吸收带的反射率为叶中含水量所控制，带间的区域也受含水量的强烈影响。树叶失水会使整个中红外区域的反射明显升高。多汁叶和非多汁叶在三个吸收峰之间的反射峰上（1.65和2.20微米左右），差别非常明显。整个水的吸收控制区域对污染毒害极其敏感，反射率随着毒害程度而大幅度升高。以上三个因素分别在三个区域控制着叶的反射率。这三个生物物理因素依赖于叶的类型及生长阶段。如无腹背叶肉差别的单子叶和有腹背叶肉差别的双子叶，反射率差异显著。叶成熟后，可见光反射率降低，而近红外升高。衰老叶损失了叶绿素，叶内结构发生变异，于是可见光反射率大幅度升高，而近红外有所下降。

影响林冠光谱反射率的因素

树冠和林冠的反射特性与树叶的反射特性有显著的差别。树冠中花、果、枝成分，由于缺乏叶绿素，反射光谱各有特点。树冠形态、叶面指数及地面覆盖率、叶面朝向及叶间距、辐照及观测方向、观测时视场限度、立地条件、物候及气象条件等都影响实际测得的林冠光谱反射率。由于影响林木光谱的因素很多，所以只能获得在某些特定的条件及环境下，对某种林木结构多次测定的统计值。植物群体本身固有的差异性及环境变量的多样性一再证明，不大可能获得对树种或森林类型普遍适用的光谱数据。光谱数据必须描述环境及测量条件的参数，才有实际意义。

叶面指数及地面覆盖率

叶面指数是指每单位地面面积上，从某种林木冠顶到离地面一定距离内所含有的树叶单面面积之和。但全叶面指数要从地面算起。叶面指数的增加对可见光的反射率影响不大，却可提高近红外区域的反射率。由于在可见光及中红外区域树叶吸收多，透射及反射少，两层叶就达到极限反射率；相反，在近红外6～8层叶才能达到极限反射率。当树冠覆盖率小于1，或林冠中有各种组分时，可以用下式来表示反射率：

δ=（δ1A1+δ2A2+…）/A

式中 δ为反射率；A1，A2，…为相应组分的面积；δ1，δ2……为相应组分的反射率；A为视场总面积。对于各种混交林，如果已知各组分的光谱值，上式可准确地计算出混交林的反射率。

林冠反射分布函数及观测角

林冠表面不是完全漫反射面，其反射亮度分布不是半球形。表面亮度及光谱反射率既是观测高度角的函数，又是相对于入射阳光的观测方位角的函数，还是林冠组分的光学特性及其几何分布的函数。它随树种、波长及物候而不同。

光谱测定的视场限度

每种林分都是由数种占不同比例的林木组分所组成。林冠光谱有一定程度的不均匀性，当视场大到足以使各种组分的统计百分比趋于稳定时，才能综合次要现象造成的不均匀性。当视场、株距比从1∶3增加到2∶1时，光谱亮度的变异系数约从0.40降到0.06。视场直径若小于树冠直径，因而只包括被阳光直射部分或阴影部分时，则长波的变异系数大于短波。因为天空散射光的辐照在短波比在长波强，故此树冠阴、阳部分的可见光亮度差别相对变小。实验表明，当视场过小，例如分辨率为42平方米时，各种森林类型的光谱数据分布重叠，方差都很大，又由于它们的均值差别都很小，致使各类光谱数据分布都很近似，误分率增加。当空间分辨率逐级降低后（82、162…平方米），各类光谱特征的方差都变小，而其均值保持不变，因此它们之间的统计重叠性降低。所以，对于以象元为积分单元的扫描或传感器，较粗的空间分辨率对林冠反而有较高的正确分类概率。当传感器的象元限度确定以后，以指导分类为目的的林冠光谱测定限度应以象元为视场标准。否则会增加失误。光谱数据的分类精度受视场的制约。

实际森林类型的光谱差异

针叶林与阔叶林在可见光及近红外都有明显的光谱差异。在平坦地面上，不同树种、不同龄级及不同蓄积量的人工林也都有显著的光谱差异，但是天然阔叶林、针阔叶混交林，在不同地区有不同的组合方式，形成极多的林相。林冠光谱是一个尚待开发的领域。地面测定的林冠光谱可以作为组成林冠光谱的参考数据。在中国对夏季测定的华北地区19种主要针、阔树种做两两组合的t检验（t=0.05），差异显著的组合数占总组合数的分率如表所示。

夏季华北主要树种树冠光谱综合可分率表

林木光谱的物候差异

林木光谱的物候变化往往被其他变量因子所掩盖，反射率的绝对值的物候特征不明显（图2、图3），但全年观测的光谱数据，按波段做比值计算后，再按时期做出物候变化曲线，则物候特征十分明显。近红外波段与红波段比值曲线表达了一年内林木生命力的演变过程。最佳遥感季节是指在特定地区，各林木群落类型光谱分异最明显的季节。对非摄影的扫描遥感技术，在温带，春季是大面积不同林型光谱差异较大的季节。而对摄影遥感技术，单株树光谱差异明显的季节是秋季。

图2

油松、白蜡树冠光谱反射率均值在不同物候期内，针阔叶树的光谱反射率R都有差异。在红外区初夏最高，秋季较低，而在可见光区，秋季上升。

林木光谱数据可用于设计传感器的波段以及制定林业航空摄影的方案，以取得最佳效果。通过比较林木的光谱差异，可以预测航空及航天遥感数据的森林分类精度。林木光谱数据还可用于分析林地植被、土壤特征，以便在图象处理中，提取尽可能多的林地特征信息。

图3

槐树等四种树全年测定的光谱反射率R的标准差按波长分布曲线

B. 生理光学的时—空分辨特性

视觉系统的空间分辨能力常用视敏度来表示，其定义为眼能够分辨的最小细节所对应的视角（以分为单位）的倒数。正常人眼的视敏度约对应视角 1′—30″。从生理解剖角度，视敏度可以解释为是由视锥细胞在视网膜上的镶嵌排列的精细程度所决定；而从光学角度，则可以认为是受到眼光学系统的衍射极限的限制。研究结果表明两者都与以上实际值相符。60年代以来，在空间分辨研究中应用了傅里叶光学的基本概念。视觉系统调制传递函数的测定是采用心理物理实验方法确定光栅目标刚可辨认时的阈值对比度，以其倒数定义对比敏感度，它与空间频率的函数关系，即作为视觉系统的调制传递函数。研究揭示，视觉系统中有若干空间频率通道，即所谓的多通道模型，它们并行地向脑传递不同频率区间的视觉信息，并对这些信息实行某种处理。人眼调制传递函数曲线只不过是这些通道的空间频率特性的包络线。对于人眼空间位相传递函数的研究，正方兴未艾。这些研究大大加深了人们对于视觉系统信息处理过程的了解。视觉系统的时间分辨能力，常用临界融合频率来表示，即一个闪烁的光源当其闪烁频率增至某一值时，会产生稳定的融合感觉，这一频率值便为临界融合频率。如果相继出现的光刺激交替地成像在视网膜的不同部位，而间隔的时间又是足够地短暂（<120 ms），则观察者所感知到的是刺激光在这两个不同部位之间的表观运动，与对真实运动的感觉并无不同。这种表观运动现象便是电影的基础。临界融合频率也与作为光源目标的空间频率有关，因此现在已将视觉系统的时间－空间特性作为统一问题加以研究。

C. 有机质早期演化的光性特征

有机岩石学方法研究有机质热演化之所以得到广泛应用，一方面在于其具有快速、经济、准确、可靠和直观等优点；另一方面在于它可以测量烃源岩中单个有机颗粒(显微组分)的光学特性，提供单个有机组分热演化信息，避免沉积环境和有机质组成等复杂性的影响。有机质演化的光学标志是在显微组分鉴定基础上测量一些能反映有机物化学结构和化学成分变化的光学参数，主要包括镜质组反射率Ro、富氢组分荧光参数和可溶组分荧光参数等。

一、镜质组反射率Ro的演化

镜质组反射率Ro是目前国际公认的唯一可对比的有机质热演化指标，也是人们最为关注的有机质成熟度标尺。它表征了镜质组在热演化过程中晶体的形成和性质的演变，其可靠性与普适性已从理论上证明和实际应用中得到充分肯定。它作为有机质热演化指标备受青睐，主要基于以下一些原因：①镜质组反射率Ro值具有不可逆性，在有机质热演化的全过程中保持连续变化；②镜质组反射率Ro值的变化与有机质中的C、H、O元素含量、挥发分含量、水分含量、可溶组分含量等指标呈连续函数关系；③镜质组通常是沉积有机质中最常见的显微组分，易于鉴别，而且其光学参数的测定受烃源岩中其他显微组分光学性质的影响较小。

表6-1 江汉盆地烃源岩有机岩石学和有机地球化学参数

续表

续表

续表

镜质组反射率Ro仍然是江汉盆地低成熟烃源岩首选的有机质早期演化标志。如图6-1所示，尽管江汉盆地古近系烃源岩Ro值分布范围较窄，都在0.35%～0.60%之间，属典型的未成熟—低成熟烃源岩范畴，且样品包括了潜江组和新沟嘴组的不同层段，但是总体而言，随着烃源岩埋深的增加，Ro值表现出有规律地增加，例如潜江凹陷的明钾1井镜质组反射率 Ro与埋深之间是一种对数关系，相关系数 R 很好(R=0.9775)，在1550m埋深时Ro值为0.35%，至2780m埋深时Ro值增至0.60%，可见镜质组反射率Ro比较客观地提供了随埋深增加有机质热演化的评价尺度，无疑是江汉盆地低成熟烃源岩有机质早期演化的最可靠标志。

值得注意的是，江汉盆地低成熟烃源岩Ro值并不完全取决于现今埋深。盆地内不同凹陷、同一凹陷不同构造部位(或不同钻孔)因受构造、沉积环境、古地温史等多因素的影响，会使镜质组反射率Ro与埋深的关系曲线有所差别(图6-1)，从而反映出凹陷内不同钻孔有机质早期热演化的不均衡性。就潜江凹陷的明钾1井和王4-22井比较而言，Ro值同为0.50%时明钾1井现今埋深达2500m，而王4-22井的现今埋深仅为1000m左右，两者相差竟达1500m之多。

图6-1 江汉盆地烃源岩镜质组反射率Ro随埋深的变化图

应该指出的是，通常认为在 Ro＜0.50%时，镜质组仍属腐殖凝胶物质，尚未显示“晶体”性质。因此，在低成熟的烃源岩中，镜质组反射率Ro的测量值在一定程度上存在不确定性。针对这一情况，还需要有其他能反映有机质早期演化特征的指标作为佐证，在这方面，某些显微组分和可溶组分的荧光参数有其独特的作用。

二、富氢显微组分荧光性质的变化

在众多具有荧光性的显微组分中，孢子体和藻类体的荧光性变化被认为最具有代表性，这不仅是因为孢子体和藻类体荧光性变化的规律性较强，而且还因为这二者都是陆相烃源岩中最重要和最常见的富氢显微组分之一，荧光变化能够直接反映烃源岩中重要生烃母质在热演化过程中化学成分和化学结构的变化(Ottenjann等，1975；Teichmuller等，1977；Thompson等，1987；钟宁宁等，1991；王铁冠等，1995；李贤庆等，1997)。通常描述显微组分的荧光性主要使用最大荧光强度波长(λmax)、红/绿值(Q)和相对荧光强度(I546)三种参数。λmax是指荧光光谱中最大荧光强度值所对应的波长，即荧光光谱峰的主波长；Q是指荧光光谱中红光(波长650 nm)相对强度与绿光(波长500 nm)相对强度的比值，惯称红绿商(或光谱商)；I546则指546nm波长的荧光相对于Jacob铀酰玻璃标样的强度。

从已分析样品(图6-2)来看，江汉盆地古近系烃源岩显示出低成熟的荧光特性：孢子体荧光色由绿色到黄色变化，其λmax变化范围为510～570nm，Q值介于0.25～1.56，I546介于3.71～1.80之间；藻类体也呈黄绿色到黄色荧光，λmax值分布在520～555nm之间，Q值约为0.15～1.37。这些荧光参数λmax、Q和I546值变化所反映的有机质热演化程度与这些样品的Ro数据是吻合的。

图6-2 明钾1井不同埋深烃源岩中孢子体的荧光光谱面貌

图6-3 王4-22井烃源岩中孢子体的荧光光谱图

图6-2和图6-3展示了江汉盆地明钾1井、王4-22井不同埋深孢子体荧光光谱变化图。可见，随埋深增加(Ro增大)，孢子体荧光光谱面貌基本类同，荧光主峰虽有向红光方向(波长增大方向)迁移的趋势，但它们的荧光光谱基本上都呈左偏态的单峰，最大荧光强度波长λmax增加缓慢，都在520～550nm之间变化，反映出江汉盆地古近系烃源岩低热演化程度的共性。相比较而言，明钾1井孢子体荧光光谱随埋深的演变趋势要比王4-22井稍明显，特别在J96032样品(Ro约0.55%)之后，在明钾1井的孢子体荧光光谱中，红光部分比例显著增加，光谱明显呈现出宽缓的后峰，这可能标志着孢子体等有机物热降解成烃作用的开始。

无独有偶，江汉盆地明钾1井、王4-22井藻类体的荧光光谱面貌(图6-4和图6-5)与上述孢子体荧光光谱面貌相同，不但它们的“红移”态势同步，而且也都显示出低热演化程度的荧光光谱特征。同样值得注意的是，明钾1井藻类体荧光光谱面貌也在Ro约0.55%之后发生较明显的变化，荧光光谱由左偏态单峰型向宽缓的双峰型发展，红光部分比例相应增加。

图6-4 明钾1井不同埋深烃源岩中藻类体的荧光光谱面貌

图6-5 王4-22井烃源岩中藻类体的荧光光谱图

对于未熟—低熟烃源岩，富氢显微组分荧光参数指示有机质早期演化较为灵敏和有效。其荧光光性变化的总特点是，随着热演化程度增加，富氢组分的荧光色调逐渐“红移”，最大荧光强度波长λmax和红/绿值Q相应增加，相对荧光强度I546由强变弱。这种荧光光性演化趋势是大多数富氢组分都遵循的大趋势，但比较来说孢子体和藻类体荧光性质的演化较为规律和连续，对未成熟-成熟烃源岩(Ro＜1.3%)具有特殊重要的热演化指示意义。图6-6和图6-7分别是江汉盆地烃源岩中孢子体和藻类体荧光参数与Ro关系图，可以看出，它们之间存在密切的相关关系。在有机质低热演化阶段(Ro0.35%～0.60%)孢子体、藻类体荧光参数呈现出一致的变化规律：随Ro增加，它们的光谱参数λmax、Q值均相应增加，相对荧光参数I546不断降低，进一步印证了孢子体和藻类体荧光参数作为有机质早期热演化指标的合理性和可靠性。

值得指出的是，孢子体荧光参数随埋深的变化(图6-8)也反映出江汉盆地不同构造部位(或钻孔)有机质“差异”演化现象，虽同属于潜江凹陷，但明钾1井λmax、Q、I546随埋深的变化曲线显著不同于王4-22井。同样，藻类体λmax、Q随埋深的变化曲线(图6-9)在明钾1井、王4-22井中也有明显差别，也揭示出不同钻孔烃源岩有机质早期演化的不均衡性。这些都一致说明，富氢组分荧光参数对于同一凹陷不同钻孔烃源岩有机质早期演化不均衡性具有特殊指示意义，与Ro有异曲同工之妙。

图6-6 孢子体荧光参数与Ro关系图

(a)λmax-Ro：相关式λmax=-120.249(Ro)2+237.685(Ro)+455.47，相关系数R=0.795；(b)Q-Ro：相关式Q=-10.2309(Ro)2+13.2792(Ro)-2.96373，相关系数R=0.7772；(c)I546-Ro：相关式I546=7.7674(Ro)2-14.8901(Ro)+7.8918，相关系数R=0.9690

图6-7 藻类体荧光参数与Ro关系图

(a)λmax-Ro：相关式λmax=-234.683(Ro)2+299.431Ro+451.966，相关系数R=0.8086；(b)Q-Ro：相关式Q=-10.3863(Ro)2+12.9267Ro-2.7270，相关系数R=0.7838

三、可溶组分荧光性质的变化

可溶有机质是由烃源岩氯仿抽提获取的。可溶有机质经柱色层可进一步分离出饱和烃、芳烃、非烃和沥青质4种族组分。一般认为饱和烃无明显荧光，用仪器测量，也无任何显示；芳烃荧光最强，一般以鲜艳的绿色、绿黄色为主；非烃的荧光性比芳烃要弱，主要呈黄色；沥青质荧光微弱，呈红色、棕红色等荧光颜色。可溶组分的荧光分析是20世纪80年代才相继开展的(Hagmann等，1981、1983、1986；Lo，1987；Khorasani，1987；钟宁宁等，1990；韩志文等，1993；王光盈，1994；王铁冠等，1995)。

图6-8 孢子体荧光参数随埋深变化

图6-9 藻类体荧光参数随埋深变化(图例同图6-8)

我们对江汉盆地古近系烃源岩中可溶组分(氯仿沥青、非烃、芳烃)进行了系统荧光分析。它们的荧光参数与Ro关系见图6-10、图6-11和图6-12。总的来说，随热演化程度增加，它们荧光参数λmax、Q均呈现增加的趋势。但比较而言，非烃效果较佳，规律性最明显，适于表征有机质早期演化；芳烃和氯仿沥青荧光参数数据比较离散，规律性较差，但它们的荧光性变化对单井自然演化剖面来说仍有一定的演化指示意义。

图6-10 非烃荧光参数随热演化程度变化

(a)λmax-Ro：相关式λmax=2967.0(Ro)2-2256.04(Ro)+961.966，相关系数R=0.7251；(b)Q-Ro：相关式Q=-6.43921(Ro)2+12.3312(Ro)-3.14042，相关系数R=0.7253

由图6-10可知，非烃馏分荧光性表现出随热演化程度增加而发生规律性“红移”现象，在Ro值约0.60%之前，非烃λmax就已达到680nm，此时非烃荧光色已变为褐红色，这为低成熟烃源岩中非烃化合物早期转化提供了证据。

图6-11 芳烃荧光参数随热演化程度变化

近年来，人们研究可溶有机物的荧光特征(Hagmann等，1983、1986；Khorasani，1987；钟宁宁等，1990)都认为，非烃馏分荧光微弱且变化无规律而未作进一步深入探讨。通常情况下，烃源岩中非烃化合物的来源不确定，化学组成和结构复杂而导致了其荧光性的不规律性，然而可能更主要的原因是，非烃馏分的荧光性变化发生在有机质早期演化阶段(Ro＜0.60%)，以往这些学者研究常规成熟油气时烃源岩成熟度均较高，所见的非烃荧光都在其将灭未灭之时，因而忽略了有机质的最初演化。图6-10中非烃荧光特征正好揭示了江汉盆地古近系低成熟烃源岩有机质的最初演化。另外，也意味着有二种可能：其一，其非烃组分来源相对较为简单；其二，在有机质早期演化阶段(Ro＜0.60%)，非烃化合物反应类型比较一致。

值得指出的是，三种可溶组分(非烃、芳烃、氯仿沥青)在明钾1井、王4-22井自然演化剖面中的荧光特征有所不同。在λmax、Q与埋深关系图(图6-13、图6-14和图6-15)中清楚看出两口井有机质早期演化上的“差异性”，进一步印证了凹陷内不同钻孔剖面上烃源岩有机质演化的不均衡性。

图6-12 氯仿沥青荧光参数随热演化程度变化

图6-13 非烃荧光参数随埋深变化

以明钾1井自然演化剖面研究为例，可以进一步说明富氢显微组分和可溶组分的荧光参数的早期演化意义(主要荧光参数见表6-1和图6-16、图6-17)。首先，随埋深增加(Ro增加)，富氢显微组分和可溶组分的荧光光谱均有一致的演化趋势，λmax、Q值有规律性增加，荧光强度I546降低。其次，孢子体、藻类体和非烃荧光变化规律性较佳，可以作为划分有机质演化阶段的良好指标。

值得注意的是，大约以埋深2600～2700m(Ro约0.50%～0.55%)为界，孢子体和非烃的荧光变化比较明显，似有“突变”之势，如孢子体I546下降以此为界发生先急后缓型变化，孢子体和非烃荧光参数λmax、Q值均在此时之后有“红移”加快之势。

图6-14 芳烃荧光参数随埋深变化

图6-15 氯仿沥青荧光参数随埋深变化

(a)λmax-D：明钾1井：D=0.119189(λmax)2-147.125(λmax)+42784.8，相关系数R=0.6377王4-22井：D=0.84222(λmax)2-928.998(λmax)+255043，相关系数R=0.6684；(b)Q-D：明钾1井：D=378.572(Q)2-1738.87(Q)-419.4，相关系数R=0.6004王4-22井：D=909.139(Q)2-2576.97(Q)-734.783，相关系数R=0.3056

图6-16 明钾1井显微组分光性演化剖面

图6-17 明钾1井可溶组分荧光参数演化剖面

D. 矿物的光学性质包括哪些

矿物的光学性质主要是指矿物对光线的吸收、反射和折射时所表现的各种性质，以及由矿物引起的光线干涉和散射等现象。如矿物的颜色、条痕、光泽和透明度等。

物质的光学性质主要是指物质对光线的吸收、反射和折射时所表现的各种性质，以及由物质引起的光线干涉和散射等现象。用肉眼能观察到的物质的光学性质有物质的颜色、条痕、光泽和透明度。这些性质相互之间有着密切的内在联系。

E. 光纤基本光学特性实验表格

光纤特性量测
一、实验目的
1. 以氦氖雷射为光源观察单模（Single mode）及多模（Multimode）光纤的数值孔径（Numerical Aperture）之不同。
2. 利用光纤微弯器（Mode Scrambler）探讨外加应力对单模及多模光纤的光功率传输损耗之影响。
二、实验步骤与实验结果、分析讨论
(1) 光纤数值孔径实验：
在这个实验中，我们准备了单模光纤与多模光纤，经由观察光通过光纤之后在方格屏幕绕射光投影的大小来计算并比较单模光纤与多模光纤数值孔径之不同。实验步骤如下：
首先利用光圈将氦氖雷射调成与桌面同一水平高度，接下来准备我们所需要使用的单模及多模光纤，裁剪适当长度的光纤约一到二公尺，将光纤两端的纤壳（cladding）利用光纤剥皮剪（Fiber Stripper）去除适当长度约五到十公分，为确保光纤断面的平整，我们使用光纤切割机（Fiber Cleaver）来切平光纤断面[注 ]，将光纤两端之断面处理妥当之后，将一端固定於光纤夹柱之中，将光纤放进光纤夹柱沟槽内并使用固定铁片固定光纤，光纤切面需突出光纤夹柱一些以便於将雷射光源耦合进光纤，将以固定光纤之光纤夹柱放置於显微物镜后之固定孔中并以攻芽螺丝固定，光纤另一端以光纤夹架固定，并且将光纤切面放至於距离方格屏幕五公分处。
启动氦氖雷射并将光源入射显微物镜，适当调整显微物镜距离将光源耦合进入光纤纤核（core）中，并适度微调水平及左右位置，使光更容易耦合进入光纤，可在光纤输出端利用光功率计观察是否耦合良好（至少30 % 耦合效率），光源经过光纤后输出光中心尽量对准方格屏幕之中心，并使光源中心在移动平移台时不会有明显偏移，在光源距离屏幕五公分时纪录其输出光直径（方格屏幕一格为1mm），此后每一公分纪录一次光直径，纪录至光源离屏幕十公分时为止，然后画出其输出光直径对距离的分布图形，并计算其最大出射角度 及数值孔径NA = ，其中 为空气的折射率。

光纤输出端与屏幕之距离 单模光纤
输出光直径 (mm) 多模光纤
输出光直径 (mm)
5 cm
6 cm
7 cm
8 cm
9 cm
10 cm

NA

(2) 光纤微弯实验：
在此实验中，我们将氦氖雷射光耦合进入单模或多模光纤，在光纤的中段放置一个光纤微弯器，观察光纤受到挤压后输出光功率如何受到影响。
首先将氦氖雷射调整水平於桌面，取一适当长度光纤，两端去掉纤壳并使用光纤切割器将断面切割平整，光纤输入端使用光纤夹柱固定并使用显微物镜将光源耦合进入光纤，光纤输出端利用裸光纤转接器（bare fiber adaptor）将裸露光纤转换成FC/PC连接头并且连接至光功率计。(注意：裸光纤转接器中有一小缝隙，需小心缓慢将光纤穿过，若无把握可请助教指导。)
实验光源的氦氖雷射输出功率为15 mW，在尚未加上光纤微弯器时，尽量调整显微物镜和光纤输入端的耦合情况，使输出光功率越高越好（至少30 % 耦合效率），如此在光纤经过微弯后之效应较为明显，在光纤中段架上光纤微弯器，此光纤微弯器每转动一小格之移动量为12.5 m。因为光纤微弯器转到底将会将光纤夹断，所以转动不可过急，在输出光功率即将开始有所影响后，再转动10格，也就是再移动125 m左右，大约就是极限值。调整光纤微弯器之移动量在输出光功率即将开始有所影响之处，开始纪录其输出光功率，然后每转动一小格，纪录一次输出光功率，总共纪录十一次后，绘出其输出光功率对移动量之损耗曲线图。

转动格数 移动量 (m) 单模光纤
输出光功率 (mW) 多模光纤
输出光功率 (mW)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

三、问题与讨论
1. 请推导证明：步阶折射率（Step Index）光纤的数值孔径NA = 。
其中 为空气的折射率， 为纤核的折射率， 为纤壳的折射率。
Ans：

2. 在光纤微弯实验中，当受到相同的应力时，单模及多模光纤的光功率传输损耗何者较大？为什麼？
Ans：

四、心得与感想

F. 为什么玻璃体起折射作用，表现在哪里

在人们生活中，常用的老花镜，科学研究常用的显微镜，军事上用的望远镜，还有三棱镜，都是通过玻璃体折射作用来实现的。

G. 什么是矿物的光学性质它主要表现在哪些方面为什么矿物具有颜色

主要是由于矿物内部对不同可见光吸收有差异而产生反射
折射等现象
产生颜色的原因多种多样
主要表现在划痕
光泽
透明度
颜色等方面
当然，还有显微镜下各种不同的光学性质

H. 激光的特性是什么

基本特性：

1，定向发光

普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。

2，亮度极高

在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。

因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。

若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。

3，颜色极纯

激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到μm级别，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。

4，能量极大

光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。

5，其他特性

激光有很多特性：首先，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。

其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。

(8)表观光学特性扩展阅读：

相关应用：

激光加工工艺：包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。

1，激光焊接：激光焊接是利用激光的高热量将被焊金属表面“烧熔”粘合而形成焊接接头。该技术生产率非常高，焊件的焊缝窄，变形小，精度高，特别适合焊接微型、精密、排列密集、受热敏感的焊件。

基于以上特点，激光焊接在电子、国防、仪表、汽车等行业中得到广泛的应用。汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。

2，激光切割：激光切割是利用经聚集的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅即熔化、汽化、烧蚀，并形成孔洞，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，随着光束和工件的相对运动，最终使工件形成切缝，从而实现割开工件的一种热切割方法。

其优点是切割窄，切割质量高、效率高。

汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

3，激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。

4，激光打孔：激光打孔是激光技术材料加工中应用最早的激光技术，激光对板料进行打孔，一般采用的脉冲激光，能量密度高，效率高。激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。

激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。

国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。

5，激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。

中国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。

6，激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。

I. 什么是光学

光学(optics)，是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。

J. 如何利用光学特性进行无损检测

2.6 利用光学特性的无损检测技术 §2.6.1 激光全息照相检测 激光全息照相检测是一种全息干涉计量法。物体内部的缺陷在受到外力作用时，例如抽真空（施加负压）、充气加压、加热、振动、弯曲等加载方式的作用下，与缺陷对应的物体表面将产生与周围不同的局部微小变形（位移），采用激光全息照相的方法，将发生变形前后两个光波的波阵面记录下来进行对比观察，从而可以判断并检出物体的内部缺陷。 激光全息照相是利用光的干涉现象，右图为激光全息照相光路系统示意图，由图中所示可见，激光发生器1（如氦-氖激光器、红宝石激光器、氩离子激光器等）发出的激光束一部分经棱镜2反射到反射镜4再经透镜5扩束投射到试件6的表面（加载），试件表面反射的光波投射到照相干板7上（物波），另一部分激光束通过棱镜2再经透镜3扩束投射到反射镜8，然后再反射投射到照相干板7上（参考波），这两束光波将会发生干涉（它们来自同一激光源，有固定的相位关系），干涉的结果是产生干涉条纹：在有的区域两个波的相位相同时，产生相长干涉，形成干涉条纹图像中的明亮条纹，当两个波的相位相反时则产生相消干涉，形成暗条纹，于是构成了明暗相间的干涉条纹图像。当试件内无缺陷时，加载后试件表面的变形是连续规则的，所产生的干涉条纹形状与明暗条纹间距的变化也是连续均匀的，与试件外形轮廓的变化相协调。如果试件内存在

激光全息照相光路系统示意图

有缺陷，则加载后对应有内部缺陷的试件表面部位的变形比周围的变形大，则光程出现差异，对应有缺陷的局部区域将会出现有不连续突变的干涉条纹，亦即条纹形状与间距将发生畸变，从而可以根据干涉条纹图形判别试件内部的缺陷。 携带有试件表面微小变形（位移）信息的物波与参考波相干涉形成以干涉条纹的反差、形状和间距变化形式记录试件全部信息的图形，就是全息图。 前面提及的激光-超声全息照相检测就是以超声波为物波，激光束为参考波形成的一种全息图。 激光全息照相检测可用于检测蜂窝结构、叠层胶接结构、复合材料以及薄壁构件的裂纹、脱粘、未粘合等缺陷，其优点是对试件的加工精度要求不高，安装调试方便，能得到物体的三维图像，缺点是对不透光物体没有穿透能力，一般只能用于厚度小的薄材料，设备较昂贵，并且在检测时受机械振动、声振动（如环境噪声）以及环境光等的干扰大等等，因此需要在安静、清洁的暗室中进行检测。 §2.6.2 激光电子散斑剪切技术 （本节内容摘自德国DANTEC ETTEMEYER的中国公司-北京安和灵捷科技有限公司的介绍资料） ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry)也称为TV全息摄影术(TV Holography)或数字全息术(Digital Holography)。一束激光被透镜扩展并投射到被测量表面上，反射光与从激光器直接投射到摄像机的称为参考光束的结合，发生干涉，摄像机会记录一系列的斑点图像。通过图像比较可以显示出斑点结构中的变化并产生相关缘纹，它们起因于记录图像之间的表面位移与变形，智能软件自动分析这些缘纹并计算处定量的位移值。先进的ESPI系统利用若干个激光照射方向或摄像机，产生位移和变形的三维信息以及轮廓信息(3D-ESPI系统)。根据这些数据，可以获得应变、应力、振动模式以及更多的数值。 ESPI系统提供了变形、位移、应变和应力方面的信息，材料工业利用这种技术可以测量杨氏弹性模量、泊松比、裂纹生长、真实应变/真实应力作用，以及许多其他描述新材料所需要的材料参数。高速的测量系统还可以提交动态的材料数值，可用于碰撞试验与碰撞模拟。 汽车工业在许多方面采用ESPI：分析底盘的疲劳行为，传动系、发动机、齿轮箱、车轮以及许多其他部件，这对于汽车安全都是高应力和关键的部件。此外,噪声振动（NVH-Noise Vibration Harshness）问题也可以采用脉冲ESPI技术解决。一个脉冲激光器以可变的时间延迟发出两个激光脉冲，由1-3个高速ESPI摄像机记录图像，测量的结果显示运作的偏差，这是用于消除声源，使阻尼系统最优化，消除刹车时发出的尖锐噪音或者消除其颤动等。NVH的典型应用是减小噪音，ESPI也可以用于优化音质，例如关车门的碰撞试验。脉冲ESPI技术的其他优点还有可以分析冲击事件，例如显示瑞利波(Raleigh waves)在金属或地下的传播与反射。 除了汽车工业以外，所有的运输工业，例如铁路、海运、航空等等都可以利用这种具有全视场、三维、非接触测量能力的ESPI。 激光剪切测量技术（Laser shearography）也是一种散斑干涉测量技术，这是广泛应用于无损检测或无损检验的，但是其光学设置有了一些改进，参考波束被取代，物体图像是双重的，在摄像机中是侧向剪切与有层理的。产生的斑点图像显现出被测试或分析表面变形的梯度，可以通过现代的相位移技术与缘纹打开技术对这种信息进行自动分析。 由于激光剪切测量得到的是唯一的变形梯度，它不受刚性物体运动的影响，因此，这种技术典型地应用于生产线或维修中的缺陷识别。 EPSI和剪切（Shearography）技术是激光光学全场测量技术，它们是基于激光散斑效应，这是在用激光照射粗糙表面时发生的现象。 无损检测与无损检验都是剪切测量技术最广泛应用的领域。现代复合材料的生产过程中，许多不同的构件要粘接在一起，这些零件装配的过程往往需要手工操作，因此在生产线上一定阶段中实施无损检测对于产品的可靠性与质量控制是非常重要的，剪切测量技术为所有的无损检测应用提供了一个非常有用的工具。 航空工业利用剪切测量技术试验玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料（CFRP）的复合材料、光洁层面、泡沫塑料以及铝复合材料等。全自动检验系统已经安装用于ARIANE 5的检验，以及直升机旋转桨叶检验。对于维修检验，便携式的剪切测量检验系统已经利用真空加载或热加载用于探查缺陷。最近，剪切测量技术还被证实可用于协和式飞机零件的维修检验。Pratt & Whitney的喷气发动机耐磨密封也已经采用激光剪切测量系统利用振动激励进行检验。在汽车工业中的轮胎试验和表板检验也已是众所周知的应用了。

激光电子散斑剪切技术

ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry)也称为TV全息摄影术(TV Holography)或数字全息术(Digital Holography)。一束激光被透镜扩展并投射到被测量表面上，反射光与从激光器直接投射到摄像机的称为参考光束的结合，发生干涉，摄像机会记录一系列的斑点图像。通过图像比较可以显示出斑点结构中的变化并产生相关缘纹，它们起因于记录图像之间的表面位移与变形，智能软件自动分析这些缘纹并计算处定量的位移值。先进的ESPI系统利用若干个激光照射方向或摄像机，产生位移和变形的三维信息以及轮廓信息(3D-ESPI系统)。根据这些数据，可以获得应变、应力、振动模式以及更多的数值。

ESPI系统提供了变形、位移、应变和应力方面的信息，材料工业利用这种技术可以测量杨氏弹性模量、泊松比、裂纹生长、真实应变/真实应力作用，以及许多其他描述新材料所需要的材料参数。高速的测量系统还可以提交动态的材料数值，可用于碰撞试验与碰撞模拟。

汽车工业在许多方面采用ESPI：分析底盘的疲劳行为，传动系、发动机、齿轮箱、车轮以及许多其他部件，这对于汽车安全都是高应力和关键的部件。此外,噪声振动(NVH-Noise Vibration Harshness)问题也可以采用脉冲ESPI技术解决。一个脉冲激光器以可变的时间延迟发出两个激光脉冲，由1-3个高速ESPI摄像机记录图像，测量的结果显示运作的偏差，这是用于消除声源，使阻尼系统最优化，消除刹车时发出的尖锐噪音或者消除其颤动等。NVH的典型应用是减小噪音，ESPI也可以用于优化音质，例如关车门的碰撞试验。脉冲ESPI技术的其他优点还有可以分析冲击事件，例如显示瑞利波(Raleigh waves)在金属或地下的传播与反射。

除了汽车工业以外，所有的运输工业，例如铁路、海运、航空等等都可以利用这种具有全视场、三维、非接触测量能力的ESPI。

激光剪切测量技术(Laser shearography)也是一种散斑干涉测量技术，这是广泛应用于无损检测或无损检验的，但是其光学设置有了一些改进，参考波束被取代，物体图像是双重的，在摄像机中是侧向剪切与有层理的。产生的斑点图像显现出被测试或分析表面变形的梯度，可以通过现代的相位移技术与缘纹打开技术对这种信息进行自动分析。

由于激光剪切测量得到的是唯一的变形梯度，它不受刚性物体运动的影响，因此，这种技术典型地应用于生产线或维修中的缺陷识别。

EPSI和剪切(Shearography)技术是激光光学全场测量技术，它们是基于激光散斑效应，这是在用激光照射粗糙表面时发生的现象。

无损检测与无损检验都是剪切测量技术最广泛应用的领域。现代复合材料的生产过程中，许多不同的构件要粘接在一起，这些零件装配的过程往往需要手工操作，因此在生产线上一定阶段中实施无损检测对于产品的可靠性与质量控制是非常重要的，剪切测量技术为所有的无损检测应用提供了一个非常有用的工具。

航空工业利用剪切测量技术试验玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料(CFRP)的复合材料、光洁层面、泡沫塑料以及铝复合材料等。全自动检验系统已经安装用于ARIANE 5的检验，以及直升机旋转桨叶检验。对于维修检验，便携式的剪切测量检验系统已经利用真空加载或热加载用于探查缺陷。最近，剪切测量技术还被证实可用于协和式飞机零件的维修检验。Pratt & Whitney的喷气发动机耐磨密封也已经采用激光剪切测量系统利用振动激励进行检验。在汽车工业中的轮胎试验和表板检验也已是众所周知的应用了。