光學(xué)與光子學(xué)概述

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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(shí)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(shí)17世紀(jì)微粒說18世紀(jì)波動(dòng)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(duì)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、光輻射的波動(dòng)方程在無源（ρ=0）非磁性介質(zhì)中，運(yùn)用麥

2、克斯韋方程并經(jīng)一系列數(shù)學(xué)運(yùn)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(dòng)方程。方程右邊兩項(xiàng)反映物質(zhì)對(duì)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(duì)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(shí)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ε、μ發(fā)生突變）處光輻射場量之間的關(guān)系。這時(shí)，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

3、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(shí)，界面兩側(cè)的切向分量以及的法向分量均連續(xù)。EtEn?1，?1，?1?2，?2，?2圖1界面上電場的法向和切向分量三、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(nèi)。②相干條件頻率相同、振動(dòng)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(dòng)面干涉。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(jìn)入幾何陰影，并在屏幕上出現(xiàn)光強(qiáng)分布不均勻

4、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(diǎn)光源。b.夫瑯和費(fèi)衍射：遠(yuǎn)場、積分、平行光。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(qiáng)變?yōu)樵瓉淼囊话搿＂诰€偏振光：③部分偏振光：④圓偏振光：⑤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(shí)，大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散散射會(huì)引起的光束能量衰減，空氣折射率不均勻

5、會(huì)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(shí)間極短時(shí)，非線性效應(yīng)也會(huì)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(shí)，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(qiáng)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)Idl圖2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

6、強(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。因?yàn)樗p系數(shù)?描述了吸收和散射兩種獨(dú)立物理過程對(duì)傳播光輻射強(qiáng)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(duì)大氣衰減的研究可歸結(jié)為對(duì)上述四個(gè)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(shí)，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(dòng)。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(yùn)動(dòng)形態(tài)決定。極性分子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)一般有分子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)、組成分子的原子振動(dòng)以及分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng)組成。相應(yīng)的共振吸收頻率分別與光

7、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(duì)應(yīng)。由此，分子的吸收特性強(qiáng)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(duì)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(shí)，才考慮它們吸收作用。H2O和CO2分子，