光電子技術(shù)課件ppt21

2023/2/31第2章光學(xué)基本知識(shí)與光場傳播規(guī)律2.1.1光的基本屬性波動(dòng)性和粒子性（波粒二象性）1、光子與其他粒子的主要區(qū)別？服從的分布不一樣。2、具有相同能量和動(dòng)量的光子彼此不可區(qū)分，處于同一光子態(tài)。3、光子的運(yùn)動(dòng)受量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理限制。4、相空間體積與相格

§2.1光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2023/2/32

光子的相干性和光子簡并度相格的空間體積===========相干體積？結(jié)論：1、相格空間體積以及一個(gè)光波模式或光子態(tài)占有的空間體積都等于相干體積。2、屬于同一量子態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，不同量子態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的。3、模式、光子的量子態(tài)、相干體積、相格等價(jià)光子簡并度當(dāng)體系處于熱平衡時(shí)，在n個(gè)光子中，出現(xiàn)在能量為狀態(tài)的最可幾數(shù)目是由體系溫度和能量決定的：由此可得黑體在溫度T下，在一定頻率間隔內(nèi)的平衡輻射能量：從而得到單位體積單位頻率間隔內(nèi)的黑體輻射能量為：2023/2/34光波模式和光量子態(tài)的等價(jià)問題光波模式：把每一個(gè)能代表場振動(dòng)的分布叫做光的一種模式。場的不同本征振動(dòng)狀態(tài)表示為不同的模式。每一種本征振動(dòng)狀態(tài)表示的是在給定初始條件和邊界條件下的麥克斯韋方程組的一個(gè)特解。在光頻區(qū)，一種光的模式表示麥克斯韋方程組的一個(gè)特解，代表具有一定偏振、一定傳播方向、一定頻率和一定壽命的光波。2023/2/352.1.2折射反射全反射當(dāng)時(shí)，逐漸增大入射角，反射角會(huì)增大，達(dá)到直角§2.1光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2023/2/36此時(shí)有：當(dāng)時(shí)，入射光的能量全部被界面反射回光密介質(zhì)，即稱為全反射。2023/2/372.1.3偏振（Polarization

）振動(dòng)方向和傳播方向不對(duì)稱

1.光的偏振態(tài)線偏振光：

·····光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)平行板面自然光：···§2.1光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2023/2/38部分偏振光：

······平行板面的光振動(dòng)較強(qiáng)垂直板面的光振動(dòng)較強(qiáng)··§2.1光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2023/2/39圓偏振光、橢圓偏振光

右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光§2.1光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2023/2/3102.偏振度Ip—部分偏振光中包含的完全偏振光的強(qiáng)度It

—部分偏振光的總強(qiáng)度In

—部分偏振光中包含的自然光的強(qiáng)度完全偏振光(線、圓、橢圓)P=1自然光(非偏振光)P=0部分偏振光0<P<1偏振度的另一種表示：2023/2/3113.偏振片的起偏和檢偏一.起偏

起偏的原理：利用某種光學(xué)的不對(duì)稱性

偏振片微晶型分子型xyzz線柵起偏器

入射電磁波

起偏：從自然光獲得偏振光

起偏器:起偏的光學(xué)器件·非偏振光線偏振光光軸電氣石晶片··2023/2/312

（1）基于晶體雙折射原理起偏（2）布儒斯特角起偏

這是利用光在界面上的反射與吸收過程獲得偏振光的一種方式：

·······n1n2iir·自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光·····n1n2i0i0r0線偏振光··S起偏振角···常用的起偏的方式有以下幾種：2023/2/313i

=時(shí)，反射光只有S分量

—

布儒斯特角或

起偏角由

有：2023/2/314

1.兩列光波的疊加(只討論電振動(dòng))p···12r1r2P:12E0E10E20光的相干條件：頻率相同、振動(dòng)方向相同、相差恒定2.1.4光的干涉2023/2/315

非相干光源I=I1

+I2—非相干疊加

完全相干光源

▲相長干涉（明）▲相消干涉（暗）

(k=0,1,2,3…)2.條紋襯比度（對(duì)比度，反襯度）2023/2/316一.雙縫干涉·pr1r2xx0xIxxDdo單色光入射d>>λ，D>>d(d10-4m,Dm)波程差：相位差：明紋

暗紋pr1r2xx0xIxxDdo2023/2/317條紋間距(1)一系列平行的明暗相間的條紋；

(3)中間級(jí)次低；明紋:k

，k=1,2,3…(整數(shù)級(jí))暗紋:(2k+1)/2(半整數(shù)級(jí))(4)

條紋特點(diǎn)：(2)不太大時(shí)條紋等間距；某條紋級(jí)次=該條紋相應(yīng)的(r2-r1)/2023/2/318二.光強(qiáng)公式若I1=I2

=I0

,則光強(qiáng)曲線I02-24-4k012-1-24I0x0x1x2x

-2x-1sin0/d-/d-2/d2/d2023/2/3192.1.5光的衍射（Diffractionoflight）1

衍射現(xiàn)象、惠更斯——菲涅耳原理一.光的衍射1.現(xiàn)象:*S衍射屏觀察屏a

10-3a2.定義:光在傳播過程中能繞過障礙物*S衍射屏觀察屏LL的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象2023/2/320二.惠更斯——菲涅耳原理波傳到的任何一點(diǎn)都是子波的波源，··pdE(p)rQdSS(波前)設(shè)初相為零n遠(yuǎn)場衍射(2)夫瑯禾費(fèi)衍射近場衍射(1)菲涅耳衍射3.分類:各子波在空間某點(diǎn)的相干疊加，就決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。2023/2/321P處波的強(qiáng)度取決于波前上Q點(diǎn)處的強(qiáng)度K():方向因子2023/2/3222單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射、半波帶法一.裝置*S

ff

a透鏡L透鏡L·pAB縫平面觀察屏0δ二.半波帶法(縫寬)S:單色光源:衍射角——中央明紋(中心)

當(dāng)時(shí)，可將縫分為兩個(gè)“半波帶”

A→P和B→P的光程差2023/2/323aθ1′2BA半波帶半波帶12′兩個(gè)“半波帶”上發(fā)的光在P處干涉相消形成暗紋。

當(dāng)時(shí)，可將縫分成三個(gè)“半波帶”P處近似為明紋中心Baλ/2θAλ/2半波帶半波帶121′2′2023/2/324aλ/2BAθ形成暗紋。

當(dāng)時(shí),可將縫分成四個(gè)“半波帶”,——暗紋——明紋(中心)

——中央明紋(中心)上述暗紋和中央明紋(中心)位置是準(zhǔn)確的，其余明紋中心的位置較上稍有偏離。一般情況2023/2/325三.振幅矢量法、光強(qiáng)公式(N很大)每個(gè)窄帶發(fā)的子波在P點(diǎn)振幅近似相等,設(shè)為P處的合振幅EP就是各子波的振幅矢量和的模透鏡fpxxxsin縫平面縫寬aABC0觀測屏2023/2/326P處是多個(gè)同方向、同頻率、同振幅、初對(duì)于O點(diǎn):

=0,=0E0E0……E0

=

NE0對(duì)于其他點(diǎn)P：

EP

<E0EPE0當(dāng)N

時(shí),N個(gè)相接的折線將變?yōu)橐粋€(gè)圓弧。相依次差一個(gè)恒量△

的簡諧振動(dòng)的合成，合成的結(jié)果仍為簡諧振動(dòng)。2023/2/327令有

又P點(diǎn)的光強(qiáng)REPE0△Φ△Φ2023/2/328由可得(1)主極大（中央明紋中心）位置：(2)極?。ò导y）位置：由得可(3)次極大位置：2023/2/329解得:相應(yīng):(4)光強(qiáng):從中央往外各次極大的光強(qiáng)依次為:0.0472I0,0.0165I0,0.0083I0,…∴

I次極大

<<I主極大-2.46πo2--2yy1

=tgy2=+2.46π-1.43π+1.43π····2023/2/330相對(duì)光強(qiáng)曲線0/a-(/a)2(/a)-2(

/a)sin0.0470.0171I/I00.0470.017四.條紋寬度1.中央明紋:λΔxI0x1x2衍射屏透鏡觀測屏Δx0

f1時(shí)，角寬度線寬度——衍射反比定律2023/2/3312.其他明紋(次極大)3.波長對(duì)條紋寬度的影響

4.縫寬變化對(duì)條紋的影響波長越長，條紋寬度越寬縫寬越小，條紋寬度越寬當(dāng)時(shí)，屏幕是一片亮I0sin2023/2/332∴幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在/a

0時(shí)的極限情形只顯出單一的明條紋單縫的幾何光學(xué)像當(dāng)，時(shí)，

2023/2/3332.2.1、麥克斯韋方程組的積分形式：§2.2麥克斯韋方程組與電介質(zhì)傳導(dǎo)電流密度

:運(yùn)流電流密度:

2023/2/334微分形式的麥克斯韋方程組：

由于存在電荷守恒定律，麥克斯韋方程組中后兩個(gè)散度方程可以從前兩個(gè)旋度方程導(dǎo)出，故不是獨(dú)立的?？偣灿腥齻€(gè)獨(dú)立的矢量方程，五個(gè)矢量一個(gè)標(biāo)量，還缺兩個(gè)矢量方程－狀態(tài)方程。2023/2/335狀態(tài)方程：

2023/2/3362.2.2電介質(zhì)1.電介質(zhì)的特性電極化強(qiáng)度為：

介質(zhì)折射率為：

所以有：

即介質(zhì)的特性包括：線性特性、非色散特性、均勻特性、各向同性、空間非色散性2023/2/337

簡單介質(zhì)非均勻介質(zhì)各向異性介質(zhì)非線性介質(zhì)色散介質(zhì)諧振介質(zhì)2.電介質(zhì)的分類2023/2/338§2.3

平面電磁波的傳播2.3.1電磁波動(dòng)方程·

媒質(zhì)均勻,線性,各向同性。若不考慮位移電流，就是MQS場中的擴(kuò)散方程。從電磁場基本方程組推導(dǎo)電磁波動(dòng)方程討論前提：·

脫離激勵(lì)源；1）2）2023/2/339

均勻平面波條件：結(jié)論

·

Ex=Hx=0

（時(shí)變場），沿波傳播方向上無場的分量，稱為TEM波。（4）（5）（6）

即（1）（2）（3）由得由得由由·

選擇坐標(biāo)軸，令Ez=0,

則Hy=0,從式(2)、（6）導(dǎo)出一維標(biāo)量波動(dòng)方程2.3.2均勻平面波2023/2/3402.2.3理想介質(zhì)中的均勻平面波1波動(dòng)方程的解及其傳播特性方程的解

·

波阻抗——入射（反射）電場與入射（反射）磁場的比值

·

能量的傳播方向與波的傳播方向一致。傳播特性

·（單一頻率）電磁波的相速，真空中m/s(

歐姆)及方程2023/2/3412正弦穩(wěn)態(tài)電磁波式中——傳播常數(shù)，

——波數(shù)、相位常數(shù)（），

——波長（m）。式中是待定復(fù)常數(shù)，由邊界條件確定?！?/p>

E、H、S在空間相互正交，波阻抗為實(shí)數(shù)；·

相位速度的證明：相速是等相位面前進(jìn)的速度·

場量的幅值與無關(guān)，是等幅波；·

反映弧度中波長的個(gè)數(shù)，又稱波數(shù)；其解2023/2/342

2.2.4導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波

正弦電磁波的波動(dòng)方程復(fù)數(shù)形式為——

復(fù)介電常數(shù)式中用分別替換理想介質(zhì)中的k和，當(dāng)，稱為良導(dǎo)體，良導(dǎo)體中波的傳播特性：·

E,H

為減幅波（集膚效應(yīng)）；圖6.3.1導(dǎo)電媒質(zhì)中正弦均勻平面波沿x方向的傳播

·

波阻抗為復(fù)數(shù),

超前

·理想介質(zhì)與良導(dǎo)體中均勻平面波傳播特性的比較。電磁波是色散波,與有關(guān)。2023/2/3432.2.5平面波的反射與折射

本節(jié)從電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律出發(fā)，討論均勻平面波以任意角度入射到無限大平面分界面時(shí)出現(xiàn)的反射與折射情況。圖6.5.1平面波的斜入射圖6.5.2垂直極化波的斜入射垂直極化波——E與入射面垂直；入射面——

與n所在的平面；平行極化波——E與入射面平行；圖6.5.3平行極化波的斜入射2023/2/3441理想介質(zhì)中垂直極化波的斜入射

媒質(zhì)1：媒質(zhì)2：1.

在z=0

平面上,E1t=E2t

,有等式對(duì)任意x成立,必有用代入上式,得可見反射角=入射角——反射定律；——折射定律，斯耐爾定律。圖6.5.4局部坐標(biāo)2023/2/3452.在z=0平面上,E1t=E2t,H1t=H2t,有聯(lián)立求解兩式,得到菲涅爾公式反射