光學(xué)與光子學(xué)概述.ppt

1、光學(xué)與光子學(xué)概述,主講人：何苗 教授 華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所,主 要 內(nèi) 容,一、關(guān)于光的認(rèn)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(xué)基礎(chǔ),一、關(guān)于光的認(rèn)識,17世紀(jì) 微粒說 18世紀(jì) 波動說 19世紀(jì) 電磁波 20世紀(jì) 波粒二象性,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(zhì)性能方程）。 由于引起生理視覺效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)以及探測器對光頻段電磁波的響應(yīng)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(yīng)用麥克斯韋方程求解光輻射場電矢量的變化規(guī)律。,1、 光輻射

2、的波動方程,在無源（=0）非磁性介質(zhì)中，運用麥克斯韋方程并經(jīng)一系列數(shù)學(xué)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(zhì)對光輻射場量的影響，起“源”的作用，分別由極化電荷與傳導(dǎo)電流引起。,2、均勻介質(zhì)中的平面波和球面波,對于各向同性的無吸收介質(zhì)， 為標(biāo)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。,3、電磁場的邊界條件,在光電子技術(shù)的許多實際應(yīng)用中，經(jīng)常涉及在兩種或多種物理性質(zhì)不同的介質(zhì)交界面（在該處、發(fā)生突變）處光輻射場量之間的關(guān)

3、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。,在光學(xué)波段經(jīng)常遇到的情況是s等于零，這時，界面兩側(cè)的切向分量以及的法向分量均連續(xù)。,三、光的干涉,1. 基本概念 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 390 760 nm 的狹窄范圍以內(nèi)。 相干條件 頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。 干涉的分類 分波面干涉、分振幅干涉和分振動面干涉。,四、光的衍射,1. 基本概念 衍射定義 光繞過障礙物偏離直線傳播而進(jìn)入幾何陰影，并在屏幕上出現(xiàn)光

4、強分布不均勻的現(xiàn)象。 衍射條件 障礙物的線度和光的波長可以比擬 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(yuǎn)場、積分、平行光。,五、光的偏振, 五種偏振態(tài) 自然光： 透過理想偏振片后，光強變?yōu)樵瓉淼囊话搿?線偏振光： 部分偏振光： 圓偏振光： 橢圓偏振光：,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：,七 光波在大氣中的傳播,大氣激光通信、探測等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。,由于大氣構(gòu)成成分的復(fù)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

5、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(dāng)光波功率足夠大、持續(xù)時間極短時，非線性效應(yīng)也會影響光束的特性，因此有必要研究激光大氣傳播特性。,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(zhuǎn)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(yīng)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(guān)系為： (dB/km)=4.343 (1/km),上式積分后得大氣透過率 ：,(6),簡化為：,(7),此即為描述大氣衰

6、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。,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(jié)為對上述四個基本衰減參數(shù)的研究。,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(chǎn)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(nèi)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(nèi)部的運動形態(tài)決定。 極性分子的內(nèi)部運動一般有分子內(nèi)電子運動、組成分子的原子振動以及分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動組成。相應(yīng)的共

7、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(yuǎn)紅外區(qū)相對應(yīng)。 由此，分子的吸收特性強烈的依賴于光波的頻率。,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(yuǎn)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(zhuǎn)動及純振動結(jié)構(gòu)，是可見光和近紅外區(qū)最重要的吸收分

8、子，是晴天大氣光學(xué)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。,表1： 可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線,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(nèi)，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(nèi)。,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(xué)均勻性，一部分光輻射光會向其他方向傳播，從而導(dǎo)致光在各個方向上的散射。,在可見光（0.40-0.76 m ）和近紅外波段，輻射波長總是遠(yuǎn)大

9、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）。,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(lán)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(lán)光散射最強 烈，故明朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色。,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 0.03 m到2000 m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。

10、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(dāng)光的波長相當(dāng)于或小于散射粒子尺寸時，即產(chǎn)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(guān)系遠(yuǎn)不如瑞利散射強烈（可以近似認(rèn)為與波長無關(guān)）。,氣溶膠微粒的尺寸分布極其復(fù)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),1、光子的基本特性,愛因斯坦根據(jù)光電效應(yīng)實驗并結(jié)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(zhì)量。

11、它的粒子屬性（能量、動量、質(zhì)量等）和波動屬性（頻率、波矢、偏振等）之間的關(guān)系滿足：,八、 現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ),(4)、光子具有兩種可能的獨立偏振態(tài)，對應(yīng) 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。）,2.原子發(fā)光機理 玻爾的氫原子模型 ：,Si(111)-7x7表面的原子力顯微鏡照片,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(zhì)有關(guān)。,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)。,(b) 自發(fā)輻射,光子能

12、量：,自發(fā)躍遷概率：,單位時間、單位體積內(nèi)， 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(zhì)有關(guān)，與輻射場的 無關(guān)） 。,(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。,3. 激 光,定義： 由激光器產(chǎn)生的，波長在1mm以下的相干電磁輻射，它由物質(zhì)的粒子受激發(fā)射放大產(chǎn)生，具有良好的單色性、相干性和方向性。 含義： 光受激輻射放大?！凹す狻薄癓

13、aser”“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”. 原理： 通過輻射的受激發(fā)射而實現(xiàn)光放大。,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。,種類：,亦可按激光器工作方式、激勵方式及諧振腔 等分。 總之，不管怎樣分，每一類都包括許多激光器。,按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分,4.非線性光學(xué) 物質(zhì)對光場的響應(yīng)與光的場強成線性關(guān)系線性光學(xué)；物質(zhì)對光場的響應(yīng)與光的場強為非線性關(guān)系非線性光學(xué)，即： 強光與物質(zhì)的相互作用；二階非線性；三階非線性；受激拉曼散射（紅、紫伴線）；光混頻（倍、和、差）；激光自聚焦；光學(xué)相位共軛；光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)；光學(xué)混沌；超快過程,5.全息照相, 定義： 既能記錄光波振幅的信息，又能記錄光波相位信息的攝影。 注意：普通攝影（照相、電影、電視等）只記錄物體的振幅（強度）信息。 原理： 雙光束干涉。, 特點：,a. 它