光學與光子學概述

關于光學與光子學概述第1頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內容一、關于光的認識二、光輻射的電磁理論三、光的干涉四、光的衍射五、光的偏振六、光的吸收、散射和色散七、光在大氣中的傳播八、現(xiàn)代光學基礎

第2頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月一、關于光的認識17世紀微粒說18世紀波動說19世紀電磁波20世紀波粒二象性第3頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月二光輻射的電磁理論

光輻射是電磁波，它服從電磁場基本規(guī)律（麥克斯韋方程和介質性能方程）。由于引起生理視覺效應、光化學效應以及探測器對光頻段電磁波的響應主要是電磁場量中的電矢量，因此，光輻射的電磁理論主要是應用麥克斯韋方程求解光輻射場電矢量的變化規(guī)律。第4頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光輻射的波動方程

在無源（ρ=0）非磁性介質中，運用麥克斯韋方程并經一系列數(shù)學運算可以得到場量所滿足的微分方程：(1)這就是光輻射普遍形式的波動方程。方程右邊兩項反映物質對光輻射場量的影響，起“源”的作用，分別由極化電荷與傳導電流引起。第5頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月2、均勻介質中的平面波和球面波

對于各向同性的無吸收介質，為標量，，利用矢量恒等式，亥姆霍茲方程可改寫為：(2)

(3)此方程平面波解的一般形式為

此方程球面波解的一般形式為(4)式k中為波矢量，0為初相。第6頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月3、電磁場的邊界條件

在光電子技術的許多實際應用中，經常涉及在兩種或多種物理性質不同的介質交界面（在該處ε、μ發(fā)生突變）處光輻射場量之間的關系。這時，求解麥克斯韋方程需要考慮邊界條件。

如圖1所示，光輻射場的邊界條件可以直接由麥克斯韋方程推得：

(5)式中s為界面面電荷密度。第7頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月在光學波段經常遇到的情況是s等于零，這時，界面兩側的切向分量以及的法向分量均連續(xù)。

EtEn1，1，12，2，2圖1界面上電場的法向和切向分量第8頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月三、光的干涉1.基本概念①光的電磁理論光是某一波段的電磁波，其速度就是電磁波的傳播速度；可見光在電磁波譜中只占很小的一部分，波長在390~760nm的狹窄范圍以內。②相干條件頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。③干涉的分類分波面干涉、分振幅干涉和分振動面干涉。第9頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光的衍射1.基本概念①衍射定義光繞過障礙物偏離直線傳播而進入幾何陰影，并在屏幕上出現(xiàn)光強分布不均勻的現(xiàn)象。②衍射條件障礙物的線度和光的波長可以比擬③衍射的分類a.菲涅耳衍射：近場、求和、點光源。b.夫瑯和費衍射：遠場、積分、平行光。第10頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月五、光的偏振⒈五種偏振態(tài)①自然光：透過理想偏振片后，光強變?yōu)樵瓉淼囊话?。②線偏振光：③部分偏振光：④圓偏振光：⑤橢圓偏振光：第11頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月六、光的吸收、散射和色散1.光的吸收：——朗伯定律。2.光的散射：——瑞利定律（天空、太陽、白云）

3.光的色散：第12頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月七光波在大氣中的傳播大氣激光通信、探測等技術應用通常以大氣為信道。

由于大氣構成成分的復雜性以及收受天氣等因素影響的不穩(wěn)定性，光波在大氣中傳播時，大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散散射會引起的光束能量衰減，空氣折射率不均勻會引起的光波的振幅和相位起伏；當光波功率足夠大、持續(xù)時間極短時，非線性效應也會影響光束的特性，因此有必要研究激光大氣傳播特性。

第13頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、大氣衰減

激光輻射在大氣中傳播時，部分光輻射能量被吸收而轉變?yōu)槠渌问降哪芰浚ㄈ鐭崮艿龋┎糠帜芰勘簧⑸涠x原來的傳播方向（即輻射能量空間重新分配）。吸收和散射的總效果使傳輸光輻射強度的衰減。

dI/I=(I-I)/I=dl

為大氣衰減系，在應用中，衰減系數(shù)常用單位為（1/km）或（dB/km），二者之間的換算關系為：

(dB/km)=4.343(1/km)Idl圖2第14頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月上式積分后得大氣透過率：

(6)簡化為：(7)此即為描述大氣衰減的朗伯定律，表明光強隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。

第15頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月因為衰減系數(shù)描述了吸收和散射兩種獨立物理過程對傳播光輻射強度的影響，所以可表示為：

(8)

km和m分別為分子的吸收和散射系數(shù)；

ka和a分別大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。對大氣衰減的研究可歸結為對上述四個基本衰減參數(shù)的研究。

第16頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1）、大氣分子的吸收

光波在大氣中傳播時，大氣分子在光波電場的作用下產生極化，并以入射光的頻率作受迫振動。所以為了克服大氣分子內部阻力要消耗能量，表現(xiàn)為大氣分子的吸收。

分子的固有吸收頻率由分子內部的運動形態(tài)決定。極性分子的內部運動一般有分子內電子運動、組成分子的原子振動以及分子繞其質量中心的轉動組成。相應的共振吸收頻率分別與光波的紫外和可見光、近紅外和中紅外以及遠紅外區(qū)相對應。由此，分子的吸收特性強烈的依賴于光波的頻率。

第17頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣中N2、O2分子雖然含量最多（約90%），但它們在可見光和紅外區(qū)幾乎不表現(xiàn)吸收，對遠紅外和微波段才呈現(xiàn)出很大的吸收。在可見光和近紅外區(qū)，一般不考慮其吸收作用。大氣中除包含上述分子外，還包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，這些分子在可見光和近紅外有可觀的吸收譜線，但其大氣中的含量甚微，一般不考慮其吸收作用。只是在高空處，其它衰減因素都很弱時，才考慮它們吸收作用。

H2O和CO2分子，特別是H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動-轉動及純振動結構，是可見光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子，是晴天大氣光學衰減的主要因素，它們的一些主要吸收譜線的中心波長如表2-1所示。第18頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月表1：可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線吸收分子主要吸收譜線中心波長(m)H2O0.720.820.930.941.131.381.461.872.663.156.2611.712.613.514.3CO21.41.62.054.35.29.410.4O24.79.6從表1不難看出，對某些特定的波長，大氣呈現(xiàn)出極為強烈的吸收，光波幾乎無法通過。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成八個區(qū)段，將透過率較高的波段稱為“大氣窗口”。在這些窗口之內，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。目前常用的激光波長都處于這些窗口之內。第19頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月2）、大氣分子散射

大氣中總存在著局部的密度與平均密度統(tǒng)計性的偏離——密度起伏，破壞了大氣的光學均勻性，一部分光輻射光會向其他方向傳播，從而導致光在各個方向上的散射。在可見光（0.40-0.76m

）和近紅外波段，輻射波長總是遠大于分子的線度，這一條件下的散射為瑞利散射。瑞利散射光的強度與波長的四次方成反比。

(9)

式中，m為瑞利散射系數(shù)（cm-l）；N為單位體積中的分子數(shù)（cm-1）；A為分子的散射截面（cm2）；為光波長（cm）。

第20頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于分子散射波長的四次方成反比。波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強烈。故可見光比紅外光散射強烈，藍光又比紅光散射強烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因為藍光散射最強烈，故明朗的天空呈現(xiàn)藍色。

第21頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月2、大氣氣溶膠的衰減大氣氣溶膠的概念：大氣中有大量的粒度在0.03m到2000m之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，它們大致是塵埃、煙粒、微水滴、鹽粒以及有機微生物等。由于這些微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài)，所以通常又稱為大氣氣溶膠。氣溶膠對光波的衰減包括氣溶膠的散射和吸收。當光的波長相當于或小于散射粒子尺寸時，即產生米-德拜散射。米-德拜散射則主要依賴于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，與波長的關系遠不如瑞利散射強烈（可以近似認為與波長無關）。

第22頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月氣溶膠微粒的尺寸分布極其復雜，受天氣變化的影響也十分大，不同天氣類型的氣溶膠粒子的密度及線度的最大值列于表2中。表2霾、云和降水天氣的物理參數(shù)天氣類型N(cm-3)amax(m)氣溶膠類型霾M100cm-33海上或岸邊的氣溶膠霾L100cm-32大陸性氣溶膠霾H100cm-30.6高空或平流層的氣溶膠雨M100cm-33000小雨或中雨雨L1000m-32000大雨冰雹H10m-36000含有大量小顆粒的冰雹積云C.1100cm-315積云或層云、霧云C.2100cm-37有色環(huán)的云云C.3100cm-33.5貝母云云C.4100cm-35.5太陽周圍的雙層或三層環(huán)的云第23頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光子的基本特性愛因斯坦根據(jù)光電效應實驗并結合普朗克能量子假說,提出了光量子理論:光是一種以光速運動的光子流,光子和其它基本粒子一樣,具有能量、動量和質量。它的粒子屬性（能量、動量、質量等）和波動屬性（頻率、波矢、偏振等）之間的關系滿足：八、

現(xiàn)代光學基礎第24頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)、光子具有兩種可能的獨立偏振態(tài)，對應于光波場的兩個獨立偏振方向；(5)、光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)，是玻色子。（電子的自旋量子數(shù)為，是費米子。）第25頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月2.原子發(fā)光機理①玻爾的氫原子模型：第26頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月Si(111)-7x7表面的原子力顯微鏡照片

第27頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月②原子發(fā)光機理受激吸收概率：為愛因斯坦吸收系數(shù),只與粒子本身的性質有關。為輻射場能量密度為E1能級上的原子數(shù)密度,（a)受激吸收處于低能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，吸收一個光子，躍遷到高能級態(tài)。第28頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)自發(fā)輻射

光子能量：自發(fā)躍遷概率：單位時間、單位體積內，上粒子的減少為：于是有：為自發(fā)輻射壽命。處于高能級態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級態(tài)，并同時向外輻射出一個光子（自發(fā)輻射只與原子本身性質有關，與輻射場的無關）。第29頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

(c)受激輻射受激輻射的概率：稱為愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)。處于高能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，躍遷到低能級態(tài)，并同時輻射出一個與入射光子完全一樣的光子。受激輻射與自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于其相干性。第30頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光①定義：

由激光器產生的，波長在1mm以下的相干電磁輻射，它由物質的粒子受激發(fā)射放大產生，具有良好的單色性、相干性和方向性。②含義：光受激輻射放大?！凹す狻薄癓aser”——“Lihgtamplificationbystimulatedemissionofradiation”.③原理：通過輻射的受激發(fā)射而實現(xiàn)光放大。第31頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月④特點：單色性佳：

頻寬：自然線寬：

多普勒寬度：譜線寬度：相干性強：

相干長度：△lH=c△tH。邁克耳孫干涉儀————光的時間相干性；楊氏實驗——光源的空間相干性。方向性好：發(fā)散角小→亮度高、照度大。第32頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤種類：亦可按激光器工作方式、激勵方式及諧振腔等分?？傊?，不管怎樣分，每一類都包括許多激光器