光學基礎知識與光場傳播規(guī)律課件

光電子技術基礎與應用第二章光學基礎知識與光場傳播規(guī)律

第二講物理與微電子科學學院SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience

2012年02月緒論（回顧第一講內容）

1光電子技術發(fā)展簡史

光電子技術

信息光電子技術與器件

1.11.31.2光電子技術應用

1.4第二講光電子技術是光子技術與電子技術結合形成一門技術光電子技術研究對象光與物質中電子相互作用及能量相互轉換相關技術，是光波段電子技術光波段（紅外線、可見光、紫外線和軟X射線）1.1光電子技術1.2光電子技術發(fā)展簡史1.3信息光電子技術與器件1.4光電子技術應用第一階段

光電探測器（光電信號接收）問世：第二階段激光器誕生及發(fā)展：第三階段

低損耗光纖問世1970年：美國研制損耗20dB/km石英光纖和室溫連續(xù)工作激光二極管，光纖通信為現(xiàn)實，這一年公認“光纖通信元年”

1960年：梅曼研成世界第一臺激光器——紅寶石激光器。后，各種固、氣、液、半導體激光器相繼出現(xiàn)

內（外）光電效應發(fā)現(xiàn)，到出現(xiàn)光電管，再到溫差型紅外探測器和測輻射熱計

1.1光電子技術1.2光電子技術發(fā)展簡史1.3信息光電子技術與器件1.4光電子技術應用按信息傳遞各個環(huán)節(jié)劃分對應相應技術器件1.1光電子技術1.2光電子技術發(fā)展簡史1.3信息光電子技術與器件1.4光電子技術應用軍事應用激光器及應用CCD（電荷耦合）器件及應用光纖技術及其應用光存儲

21世紀3T目標：傳輸速度

處理速度

存儲速度光纖通信——取得輝煌成就領域

光計算——努力方向

光存儲——努力方向

光傳感——部分方面取得實用成就1.1光電子技術1.2光電子技術發(fā)展簡史1.3信息光電子技術與器件1.4光電子技術應用光調制技術—光信息系統(tǒng)的信號加載與控制（七、八、十講）

光電顯示技術（十三、十四、十五講）

光盤與光存儲技術（二十、二十一、二十二講）光通信無源器件技術（十六、十七、十八、十九講）緒論（一講）

1光學基礎知識與光場傳播規(guī)律（二講）

2激光原理與技術（三、四、五講）

3光波導技術基礎（六、七講）

4第二講講授內容表面等離子體共振現(xiàn)象與應用的探究（二十三講）

5光電探測技術（十一、十二講）

678910連續(xù)可調太赫茲超常材料寬帶低損超吸收器（二十四講）

11

緒論

1光學基礎知識與光場傳播規(guī)律

2光學基礎知識

2.12.3

2.22.42.5麥克斯韋方程

電解質

波動方程光波的表示與傳播特性光波的表示與傳播特性2.62.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性

2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振微粒說波動說光的電磁理論波粒二象性微粒說：

由光直線傳播性質，牛頓1704年在《光學》提出光是微粒流理論。認為微粒從光源飛出，在真空或均勻物質內由慣性做勻速直線運動，解釋光反射定律和折射定律；

十七世紀開始，發(fā)現(xiàn)有與光直線傳播不完全符合事實；格里瑪?shù)凇⒑擞^察到衍射現(xiàn)象；波動說：惠更斯1678年《論光》提出光在“以太”中傳播的波，提出光波動次波原理，解釋折射、反射定律，方解石雙折射定律。沒提到波長、相位；1815年，菲涅耳用楊氏干涉原理補充惠更斯原理，惠更斯——菲涅耳原理；1808年，馬呂發(fā)現(xiàn)光在兩種介質表面上反射時偏振現(xiàn)象；楊氏1817提出光是橫波假設；菲涅耳完善這個觀點導出菲涅耳公式；波動說理論：既解釋光直線傳播，光干涉、衍射現(xiàn)象，又解釋光偏振現(xiàn)象；2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性

2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振微粒說波動說光的電磁理論波粒二象性光電磁理論關于光本性現(xiàn)代學說，說明光本質是電磁波理論及光與物質相互作用規(guī)律。19世紀60年代麥克斯韋提出，把光看成在某一范圍電磁波。能解釋：光傳播、干涉、衍射、散射、偏振現(xiàn)象，光還有粒子性，不能解釋光電效應、康普頓效應物理現(xiàn)象。內容涉及：2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性

2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振微粒說波動說光的電磁理論波粒二象性光的電磁波性質、單色平面波和球面波、光源和光的輻射、光在介質界面上的反射和折射、全反射和隱失波、光在金屬表面的透射和反射、光的吸收、色散和散射、單色光波的疊加和干涉、不同頻率光波的疊加、復雜波的分解

波粒二象性：光電磁理論困難不能解釋光和物質相互作用某些現(xiàn)象。熾熱黑體輻射中能量按分布問題。特別是1887赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應；1900年普朗克提出輻射量子理論能量不連續(xù)能量大小=h整數(shù)倍1905年愛因斯坦提出光量子理論（光子理論），解釋光電效應。光波動性：光干涉、衍射和偏振

光粒子性：黑體輻射、光電效應

光同時具波粒二象性光電效應2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性

2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振微粒說波動說光的電磁理論波粒二象性折射、反射定律包括兩方面的內容全反射折射、反射光位于入射光與界面法線決定平面內折射率滿足，反射角=入射角（臨界角）2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振光從光密介質向光疏介質入射——n1>n2

入射角>臨界角——1>c

入射光能量全部被界面反射回光密介質（光纖工作原理）n2

n1

2=90折射、反射定律包括兩方面的內容全反射2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振折射

反射獨立性原理疊加性相干性（干涉）波動三個特性——獨立性，疊加性，相干性獨立性原理兩列光波在空間交疊，各自傳播互不干擾，各自獨立按照自己原來傳播方向繼續(xù)前進，彼此不受影響；是波獨立傳播定律；疊加性

波獨立傳播定律成立前提下，兩列或多列波同時存在，它們交疊區(qū)域內每點振動是各列波單獨在該點產生振動合成，是波疊加原理。2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振兩列波產生相干條件

相同存在相互平行振動分量位相差恒定兩個沿同一直線簡諧振動，相同，位相相同疊加原理獨立性原理疊加性相干性（干涉）2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振位相差恒定，與時間無關：平均強度

干涉項疊加原理獨立性原理疊加性相干性（干涉）2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振討論：兩振動位相相同

合振動平均強度最大值（干涉相長）兩振動位相相反合振動平均強度最?。ǜ缮嫦嘞┢骄鶑姸?-1

與t無關

獨立性原理疊加性相干性（干涉）2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振

干涉項光的衍射現(xiàn)象惠更斯?菲涅爾原理窗外說話，窗內人聽見（聲波）；無線電波繞過山障礙物，山區(qū)能接收到電臺廣播（電磁波）；光波照射不透明障礙物，形成影子（人）；

說明什么？2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振光的衍射現(xiàn)象惠更斯?菲涅爾原理菲涅耳衍射（近場衍射）夫瑯和費衍射（遠場衍射）

(1)將波前上每個面元看做次波源；

(2)空間某點P振動是所有次波在該點相干疊加；原理2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振光的衍射現(xiàn)象惠更斯?菲涅爾原理2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振一束光射在一個小圓孔上，距孔1~2m放一塊毛玻璃屏，觀察小圓孔衍射花樣。點光源發(fā)出光通過圓屏邊緣衍射現(xiàn)象。O點光源，光路有不透明圓屏，討論P點振幅。菲涅耳衍射（近場衍射）

夫瑯和費衍射（遠場衍射）夫瑯和費單縫衍射裝置及現(xiàn)象：1.

實驗裝置：(1)單一小狹縫；

(2)滿足夫瑯和費條件；2.實驗現(xiàn)象：(1)衍射條紋成明暗相間對稱分布；

(2)中間條紋又亮又寬，其余從中間向兩邊，亮度減??；

(3)衍射條紋與入射光、單縫寬度有關?！?光的衍射現(xiàn)象惠更斯?菲涅爾原理2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振菲涅耳衍射（近場衍射）夫瑯和費衍射（遠場衍射）2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振暗紋則例：圖示，一波長單色平面波沿與縫平面法線角方向射到寬a單縫AB上；

解：狹縫兩邊緣處，衍射角兩光光程差為：求：寫出各級暗條紋對應衍射角滿足條件；

光的衍射現(xiàn)象惠更斯?菲涅爾原理2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束縱波：波振動方向和振動方向相同；橫波：波振動方向和振動方向垂直；振動方向對于傳播方向不對稱性叫偏振。

由自然光得到偏振光過程稱起偏，所用器件起偏器；該器件用來檢驗某一束光是否為偏振光，稱檢偏器。

光偏振態(tài)包括：自然光，線偏振光，部分偏振光，圓偏振光和橢圓偏振光；2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振自然光

自然光在⊥光傳播方向平面沿各方向振動矢量都有，各方向概率相等隨機分布；線偏振光

光矢量只沿某一固定方向振動光為線偏振光。偏振光振動方向與傳播方向組成平面稱振動面；

部分偏振光

部分偏振光在⊥光傳播方向平面內沿各方向振動的光矢量都有，振幅不對稱，某一方向振動較強，與它⊥方向振動弱；圓偏振光

光矢量端點在⊥光傳播方向截面內描繪出圓形軌跡；橢圓偏振光

光矢量端點在⊥光傳播方向截面內描繪出橢圓軌跡。2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振自然光光路插入檢偏器，屏上光強減半，檢偏器旋轉，屏上亮暗無變化線偏振光檢偏器旋轉一周，光強兩強兩弱，自然光經過起偏器轉變成線偏振光部分偏振光檢偏器旋轉一周，屏上光強兩強兩弱圓偏振光檢偏器旋轉一周，光強無變化橢圓偏振光檢偏器旋轉一周，光強兩強兩弱2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1.1光的基本屬性2.1.2折射、反射、全反射2.1.3光的獨立傳播原理與干涉2.1.4衍射2.1.5偏振(1)麥克斯韋微分方程2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束D電位移矢量J電流密度矢量P電極化強度電荷密度

電場強度旋度=該點處磁感強度變化率負值磁場強度旋度=該點處傳導電流密度與位移電流密度矢量和電位移散度=該點處自由電荷體密度磁感強度散度處處為零1234麥克斯韋方程組是麥克斯韋把穩(wěn)定電磁場（靜電場和穩(wěn)恒電流的磁場）基本規(guī)律推廣到不穩(wěn)定電磁場普通情況得到的。(2)物質方程2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束介電常（或電容率）=r0

磁導率，非鐵磁物質=0

電導率J電流密度Js面電流

密度描述物質在場作用下特性的關系式。給出媒質電學和磁學性質，是光與物質相互作用時媒質中大量分子平均作用結果。麥克斯韋方程組和物質方程組成一組完整方程組，用于描述時變場情況電磁場普遍規(guī)律。2.3.1電介質的特性2.3.2電介質的分類形成宏觀束縛電荷現(xiàn)象稱電極化；能產生電極化物質稱電介質。極化強度：介質折射率：關系不同，介質呈不同特性：線性特性非色散特性均勻性各向同性空間非色散性

線性關系，常數(shù)（磁化率）；

t時刻只與此刻有關，與前面時刻無關；關系與位置無關，任何一處都是常數(shù)；關系與矢量取向無關，此時平行；某一位置r處P與該位置E有關，與其它位置處E無關。

2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束線性特性非色散特性均勻性各向同性空間非色散性

簡單電介質

線性，非色散，均勻，各向同性；非均勻介質

只是非均勻，關系與r有關，不同r處不同，n不同；

各向異性介質

P與E方向不一致。P與E關系與E取向有關。不同方向極化率不同，折射率不同。這種介質中某些方向易極化，另一些難極化；非線性介質

P與E關系不只與E一次項有關，與它高次項有關；色散介質

極化響應不是即時的，與前一時刻E有關。2.3.1電介質的特性2.3.2電介質的分類簡單電解質非均勻介質各向異性介質非線性介質色散介質

2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束波動方程（麥克斯韋微分方程）把(b)帶入(1)得兩邊取旋度左端利用矢量運算右端把(2)和(c)帶入得2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束D電位移矢量J電流密度矢量P電極化強度電荷密度

介電常=r0

磁導率，非鐵磁物質=0

電導率J電流密度物質方程阻尼項

2.4.1簡單電介質情況下的時域波動方程2.4.2簡單電介質情況下的頻域波動方程線性，非色散，均勻，各向同性電介質同樣得磁場方程波動方程2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束波動方程物質方程麥克斯韋微分方程電場方程磁場方程不導電介質中有源波動方程不導電介質中無源波動方程有源擴散方程無源擴散方程恒定場有源波動方程

無源波動方程場輻射來源于源激勵波動方程2.4.1簡單電介質情況下的時域波動方程2.4.2簡單電介質情況下的頻域波動方程2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束電導率（電荷密度,電流密度J不為0）電荷密度（電荷密度、電流密度J=0）

有源擴散方程

無源擴散方程系統(tǒng)為低頻緩變電磁場

不導電介質中有源波動方程不導電介質中無源波動方程有源擴散方程無源擴散方程恒定場2.4.1簡單電介質情況下的時域波動方程2.4.2簡單電介質情況下的頻域波動方程2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束波動方程（電導率,電荷密度,電流密度J不為0）（電導率≠0,電荷密度、電流密度J=0）

恒定場

不隨時間變化場

不導電介質中有源波動方程不導電介質中無源波動方程有源擴散方程無源擴散方程恒定場2.4.1簡單電介質情況下的時域波動方程2.4.2簡單電介質情況下的頻域波動方程2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束波動方程高頻低電導有源時高頻低電導無源時導電介質中的無源波動方程緩變無源場有，過程略時諧條件此處頻域E，H是與t無關量，時域場波動方程中E，H與t有關高頻低電導有源時，2.4.1簡單電介質情況下的時域波動方程2.4.2簡單電介質情況下的頻域波動方程2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束波動方程高頻低電導無源時導電介質中無源波動方程

不可忽視緩變無源場>>

高頻低電導有源時高頻低電導無源時導電介質中的無源波動方程緩變無源場2.4.1簡單電介質情況下的時域波動方程2.4.2簡單電介質情況下的頻域波動方程2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束波動方程平面波等相面（波前）是平面球面波等相面是球面柱面波等相面為圓柱形拋物面波復雜2.5.1光波的電磁表示2.5.2邊界條件及光在簡單電介質界面上的反射和折射k波矢，r傳播方向距離2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束邊界連續(xù)條件

自由電荷面密度

自由電荷線密度2.5.1光波的電磁表示2.5.2邊界條件及光在簡單電介質界面上的反射和折射2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束

s,Js

電荷面密度和面I密度，n法線方向，t切線方向，s,Js

為0，Dn,Ht在界面連續(xù)。高斯光束是波動方程一特解，非均勻波，許多方面類似平面波。強度分布不均勻，集中在傳播軸附近。等相面彎曲。等相面上光場振幅分布是非均勻高斯分布。特點（旁軸情況）非均勻高斯球面波傳播過程曲率中心不斷改變振幅分布在橫截面內為高斯分布強度集中在軸線及附近等相面保持球面2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.6.1高斯光束2.6.2高斯光束的性質振幅分布及光斑半徑，束腰半徑高斯光束的等相面瑞利距離遠場發(fā)射角高斯光束在任一z處，橫向振幅為高斯分布，光斑半徑隨z坐標變化；光斑半徑：場振幅以高斯函數(shù)形式從中心（傳播軸線）向外平滑減小。振幅減小到中心值1/e處r定義為光斑半徑。光斑半徑隨坐標z按雙曲線規(guī)律擴展。z=0處(0)=0有最小值，束腰半徑。

2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.6.1高斯光束2.5.2高斯光束的性質近軸，高斯光束等相面以R(z)為半徑球面

z=0，R(z)→∞，等相面在束腰處為平面，曲率半徑中心在無窮遠處z=±∞，R(z)→∞，等相面在無窮遠處為平面，曲率半徑中心在束腰處z=±z0，R(z)=2z0，達極小值z>>z0，R(z)→z，遠場處可將高斯光束近似為由z=0發(fā)出半徑為z球面波振幅分布及光斑半徑，束腰半徑高斯光束的等相面瑞利距離遠場發(fā)射角2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.6.1高斯光束2.5.2高斯光束的性質|z|=z0時，，光斑從0增大到，這個范圍是瑞利范圍。從最小光斑處算起這個長度z0稱瑞利長度。z=±z0范圍為高斯光束準直距離，這個范圍內高斯光束近似為平行。振幅分布及光斑半徑，束腰半徑高斯光束的等相面瑞利距離遠場發(fā)射角2.1光學基礎知識

2.2麥克斯韋方程2.3電解質2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.6.1高斯光束2.5.2