信息光電子學(xué)基礎(chǔ)

信息光電子學(xué)基礎(chǔ)第1頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光學(xué)是一門古老而又年輕、極具生命活力的物理學(xué)科，具有強(qiáng)大的生命力和不可估量的發(fā)展前途?！畔⒐怆娮訉W(xué)研究?jī)?nèi)容1、光信息的產(chǎn)生、采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、控制的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。２、光和物質(zhì)的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的機(jī)械作用、光的熱效應(yīng)、光的電效應(yīng)、光的化學(xué)效應(yīng)、光的生理效應(yīng)等。３、光的本質(zhì)的研究。內(nèi)容可分為幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)。2.1信息光電子學(xué)的理論體系的發(fā)展第2頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三波動(dòng)光學(xué)電磁光學(xué)幾何光學(xué)量子光學(xué)非線性光學(xué)非線性光學(xué) ------- 研究光與物質(zhì)作用理論；

電磁光學(xué) ------- 基于Maxwell方程的研究理論；

量子光學(xué) ------- 基于量子論的理論；

▲信息光電子學(xué)研究理論體系第3頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三周朝的金燧取火（公元前1000年）古埃及金字塔出土的平面鏡（公元前1000年）；《墨經(jīng)》中的光線傳播，平面鏡、凹面鏡、凸面鏡的成像（公元前400年）；

Euclid的《反射光學(xué)》（公元前400年）；南宋沈括《夢(mèng)溪筆談》中，針孔成像、球面鏡成像、虹霓、月蝕現(xiàn)象的描述。1.古代光學(xué) 公元前------16世紀(jì)宏觀光學(xué)現(xiàn)象的直觀認(rèn)識(shí)▲信息光電子學(xué)發(fā)展史第4頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.經(jīng)典光學(xué) 17世紀(jì)------19世紀(jì)

Galilei（伽利略）望遠(yuǎn)鏡（1610年），發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)；

Kepler（開(kāi)普列）望遠(yuǎn)鏡用于天體觀測(cè)（1611），Kepler三定律；

Snell（斯涅爾

）折射定律（1621年）；

Fermat（費(fèi)馬）原理:“自然界以時(shí)間最短作為行為準(zhǔn)則”（1657);Newton（牛頓）的微粒學(xué)說(shuō)、色散實(shí)驗(yàn)（1666年）;Romer（羅默）根據(jù)木星的月蝕測(cè)出光速有限（≈214000km/s）（1676）；

Huggens（惠更斯）的波動(dòng)學(xué)說(shuō)（1678）；第5頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

Young（楊氏）的干涉實(shí)驗(yàn)（1801）；

Fresnel（菲涅耳）的波動(dòng)理論（1814）、反射折射定律(1832)Fizeau（斐索）用旋轉(zhuǎn)齒輪測(cè)光速（≈315300km/s）(1849)Foucault（萊昂·傅科）測(cè)出水中光速比空氣中光速小（1850），與微粒學(xué)說(shuō)矛盾，與波動(dòng)說(shuō)吻合；

Maxwell(麥克斯韋）的電磁波理論(1873)光速

Michelson&Morley的干涉實(shí)驗(yàn)（1887）；19世紀(jì)末確立了光的波動(dòng)理論的統(tǒng)治地位。

第6頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.近現(xiàn)代光學(xué) 1900-----量子論（1900）；

Einstein（愛(ài)因斯坦）發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)（1905）；

deBroglie（德布羅意）的物質(zhì)波理論（1924）；

Born的波粒二像性理論（1925）；

Maiman激光器的誕生（1960）；

QuantumOptics（量子光學(xué)）；

NonlinearOptics（非線性光學(xué)）；

IntegratedOptics（集成光學(xué)）；

OpticalCommunication（光通信）；

Holography（全息學(xué)）；

Photonics（光子學(xué)）；

….現(xiàn)代光學(xué)的分支和技術(shù)第7頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三萌芽時(shí)期（約公元前400年—公元16世紀(jì)）成就發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如平面鏡成像、透鏡成像、凹凸面鏡成像、針孔成像的現(xiàn)象和規(guī)律。造出了透鏡、凹凸面鏡、眼鏡、暗箱等光學(xué)元件。幾何光學(xué)時(shí)期（公元16世紀(jì)—公元19世紀(jì)）成就建立了光的反射和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)了干涉、衍射、偏振等光的波動(dòng)現(xiàn)象，以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)初步提出。造出望遠(yuǎn)鏡（H.Lippershey

，1587—1619年）、顯微鏡（Z.Janssen，1580—1656年），極大地推動(dòng)了天文、航海、生物學(xué)的發(fā)展。

為幾何光學(xué)向波動(dòng)光學(xué)過(guò)渡時(shí)期，是人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)逐步深化的時(shí)期。第8頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三波動(dòng)光學(xué)時(shí)期（公元19世紀(jì)）成就惠更斯—菲涅耳原理成功地解釋了光的直線傳播、干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，奠定了波動(dòng)光學(xué)的基礎(chǔ)；法拉第（M.Faraday，1791—1897年）和麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879年）等人揭示了光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，赫茲（H.R.hertz，1857—1894年）測(cè)得電磁波的傳播速度等于光速，確定了光的電磁理論基礎(chǔ)。成功地測(cè)定了光的波長(zhǎng)，用多種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了光在各種介質(zhì)中的傳播速度。

光的電磁理論在整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展中起著很總要的作用，使人們?cè)谡J(rèn)識(shí)光的本性方面向前邁出了一大步。第9頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三量子光學(xué)時(shí)期（公元19世紀(jì)末—公元20世紀(jì)上半葉）成就愛(ài)因斯坦（1879—1947年）發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè)，提出了光的量子說(shuō)，圓滿的解釋了光電效應(yīng)，并被康普頓效應(yīng)等許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)，使人們認(rèn)識(shí)到光的波粒二象性。

光和一切微觀粒子都具有波粒二象性，這個(gè)認(rèn)識(shí)促進(jìn)了原子核和基本粒子研究的發(fā)展，也推動(dòng)人們進(jìn)一步探索光和物質(zhì)的本質(zhì)，包括實(shí)物和場(chǎng)的本質(zhì)問(wèn)題?，F(xiàn)代光學(xué)時(shí)期

20世紀(jì)60年代以來(lái)是光學(xué)發(fā)展最為迅速活躍的時(shí)期。成就激光問(wèn)世（T.H.Maiman

，1927—

），全息術(shù)、微波、光纖、紅外技術(shù)的應(yīng)用乃至光計(jì)算機(jī)的研制，使光學(xué)成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最重要的前沿之一；理論上出現(xiàn)了許多新的分支學(xué)科和邊緣學(xué)科，如傅里葉光學(xué)、非線性光學(xué)、量子光學(xué)、激光光譜學(xué)、集成光學(xué)等。

現(xiàn)代光學(xué)與其他科學(xué)技術(shù)的結(jié)合使人們對(duì)光本質(zhì)的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步向前發(fā)展，并在社會(huì)生活和生產(chǎn)活動(dòng)中發(fā)揮極其重要的作用。第10頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三信息光電子學(xué)光的產(chǎn)生光的傳播光信息獲取熱輻射理論光和物質(zhì)相互作用自發(fā)輻射大氣中的光傳播晶體中的光傳播薄膜介質(zhì)中的光傳播光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換光學(xué)成像人眼受激輻射光學(xué)變換介質(zhì)傳輸光學(xué)幾何光學(xué)真空中的光傳播物理光學(xué)經(jīng)典電磁場(chǎng)理論——經(jīng)典理論電磁光學(xué)、量子光學(xué)非線性光學(xué)光電子發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)熱效應(yīng)幾何成像衍射成像掃描成像菲涅耳環(huán)帶片成像全息成像光譜變換光信息控制光信息處理電光效應(yīng)圖像增強(qiáng)激光技術(shù)空間濾波信息光電子學(xué)理論構(gòu)架第11頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2光信息的產(chǎn)生2.2.1熱輻射理論理論體系：經(jīng)典電磁場(chǎng)理論，電偶諧振子振蕩黑體輻射的基本定律——普朗克定律：h:普朗克常數(shù)6.6263×10-34W·S2，k:玻耳茲曼常數(shù)1.38×10-23W·s·K-1第12頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三斯忒藩－玻耳茲曼定律（從一平方米表面積的黑體輻射到半球空間的總輻射量）斯忒藩－玻耳茲曼常數(shù)：(W·m-2)(W·m-2·K-4)

單位方向的輻射量：第13頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三維恩位移定律：微分普朗克公式，求極大值，得到溫度和峰值波長(zhǎng)的關(guān)系峰值光譜輻射度：（A＝2898m·K）

（b＝1.2862×10-11W·m-2·K-5·m-1）

第14頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2.2光和物質(zhì)的相互作用自發(fā)發(fā)射：經(jīng)典電磁場(chǎng)理論，麥克斯韋方程，電偶極子自發(fā)輻射受激發(fā)射：經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)、電磁光學(xué)、半經(jīng)典理論、量子電動(dòng)力學(xué)、量子電磁力學(xué)光譜變換：非線性光學(xué)麥克斯韋方程：經(jīng)典電磁場(chǎng)理論理論體系：第15頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2.3光輻射波長(zhǎng)10141013101210111010109108107106105104103102101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10波長(zhǎng)/m長(zhǎng)電磁振蕩無(wú)線電波微波X射線射線宇宙射線千米波米波厘米波毫米波40m1000m6m3m760nm622nm597nm577nm492nm455nm380nm300nm200nm10nm遠(yuǎn)紅外光中紅外光近紅外光紅光橙光黃光綠光藍(lán)光紫光近紫外光遠(yuǎn)紫外光極遠(yuǎn)紫外光極遠(yuǎn)紅外光紅外線可見(jiàn)光紫外線第16頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3光信息的描述1、單色波單色平面波：可以分解為時(shí)間相位因子和空間相位因子球面光波：柱面光波：高斯光束：第17頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、頻率譜對(duì)于非單色光，它是由多個(gè)頻率合成的光信號(hào)，針對(duì)于光波頻率因子，及縱模，是時(shí)間上的頻率第18頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、空間頻率與空間頻率譜在方向的空間頻率：光波強(qiáng)度在空間上的分布第19頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4.1光在各向同性介質(zhì)界面上的反射和折射反射定律和折射定律反射率和投射率反射和折射的相位特性反射和折射的偏振特性全反射2.4光信息的傳輸?shù)?0頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4.2光在各向同性介質(zhì)中的傳輸介質(zhì)吸收介質(zhì)色散介質(zhì)散射光的衍射：夫浪和費(fèi)衍射、菲涅耳衍射2.4.3光在各向異性介質(zhì)中的傳輸非線性效應(yīng)晶體的雙折射電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等第21頁(yè)，共22頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光信息技術(shù)基礎(chǔ)光信息的產(chǎn)生光信息的傳輸技術(shù)光信息