光纤课件ch235173

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1、第二章      光的性质2.1光的电磁理论2.2光的干涉2.3光的衍射2.4光的偏振2.5光的吸收、色散和散射2.6光的量子性2.7激光2.1光的电磁理论1波动基本方程1865年麦克斯韦在总结前人实验的基础上,得出麦克斯韦方程组,并预言电磁波的存在。在无源空间可得到光在非磁性的、各向同性的极化介质中传输的波动方程式2亥姆霍兹方程由麦克斯韦方程组的微分形式,可以推导真空中亥姆霍兹方程3电磁波的性质真空中的电磁波具有以下性质:(1)电磁波是横波(2)E和H同位相(3)E和H幅值成正比(4)电磁波的传播速度与光相同,表明光波也是一种电磁波(

2、5)电磁场的能量和能流可以用能量密度和能流密度来描述1光的相干性(1)光矢量在光波中,产生感光作用与生理作用的主要是电场强度E,所以电矢量E称为光矢量。2.2光的干涉(2)光的相干性干涉现象是波动过程的基本特征之一。由频率相同,振动方向相同,位相相同或位相差保持恒定的两个相干波源所发出的波是相干波,在两束相干波相遇的区域里,有些点振动始终加强,有些点的振动始终减弱或完全抵消,即产生干涉现象。光波也具有相干性(3)获得相干光的基本方法一般光源发出的光是不相干的,但是可以采用下列两种方法来获得相干光:①分波阵面法②分振幅法2杨氏双缝实验和洛埃

3、镜实验(1)杨氏双缝干涉杨氏双缝实验是最早利用单一光源形成两束相干光,从而获得干涉现象的典型实验。它是利用分波阵面法获得的。(2)洛埃镜实验洛埃镜实验不但显示了光的干涉现象,而且还显示了当光由光疏媒质射到光密媒质并在其表面反射时,反射光的位相发生了变化。3薄膜干涉(1)光程与光程差折射率n与光波在该媒质中传播的几何路程r的乘积nr叫做光程。两束相干光在不同媒质中传播时,对干涉加强(亮纹)和减弱(暗纹)条件起决定作用是这两束光的光程差。(2)薄膜干涉在日常生活中,常常看到水面上的油膜或肥皂泡导在日光照射下出现美丽的花纹,这些都是薄膜的干

4、涉现象。薄膜干涉原理在实际中的应用非常广泛,例如全反射膜、增透膜、干涉仪等都是利用薄膜干涉现象制成的。如果入射光垂直照射:满足δ=2n2e+λ/2=kλk=1,2,…,反射光的干涉加强。满足δ=2n2e+λ/2=(2k+1)λ/2k=1,2,…,反射光的干涉减弱。(3)增透膜和增反膜薄膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有两个方面:一方面是利用薄膜反射时,使某些波长的光因干涉而减弱,以增加透射光的强度,这种薄膜称为增透膜;另一方面是利用薄膜表面反射时,使某些波长的光因干涉而加强,以减少透射光的强度,这种薄膜称为增反膜。4法布里-珀罗干涉仪(1)法

5、布里-珀罗干涉仪的结构法布里-珀罗干涉仪简称F-P干涉仪。它是由两块互相平行的平面玻璃板或石英板组成。(2)法布里-珀罗干涉仪的性能参数法布里-珀罗干涉仪所产生的多光束等倾干涉条纹因其亮纹的宽度极窄,因此,它在光学上是一种高分辨率的光谱仪器。在光纤通信领域有广泛的应用。F-P干涉仪的性能参数有:①正入射情况的透射波长和透射频率②自由光谱范围ΔλFSR③分辨本领可以用F-P干涉仪能分开的最小波长差Δλmin表示。Δλmin越小,仪器的分辨能力就越大。④角色散D仪器的角色散是指单位波长间隔经分光仪器后所分开的角度。其定义为:D=dθ/dλ角色

6、散D愈大,不同波长的光经仪器后就分得愈开。2.3光的衍射1光的衍射现象·惠更斯-菲涅耳原理光波绕过障碍物而传播的现象叫做光的衍射现象。按照光源、衍射物、接收屏三者的相互位置可把衍射分为两种:当光源、接收屏与衍射物之间的距离有限时,这种衍射叫做菲涅耳衍射。当光源、接收屏都距衍射物无限远时,这种入射光和衍射光都是平行光的衍射称为夫琅和费衍射。单缝衍射条纹特点①单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明暗相间的直条纹,它们对称地分布在中央明纹两侧;②明纹亮度不均匀,中央明纹最亮,其它各级明纹的亮度将随着级数的增高而逐步减弱。③条纹宽度。2夫琅和费单缝衍射

7、3光栅衍射为了提高测量精度,必须提供一种又亮又窄、间隔又很大的明条纹。利用衍射光栅可以做到这一点。(1)衍射光栅衍射光栅分为:反射光栅和透射光栅它是近代物理实验中时常用到的一种重要光学元件,是一种分光装置主要用来形成光谱。衍射光栅也常用于光纤通信。(2)光栅衍射条纹的形成光栅衍射条纹是衍射和干涉的总效果。光衍射角φ满足(a+b)sinφ=±kλk=0,1,2,…(2-3-10)形成亮度很大的明条纹。2.4光的偏振光的偏振现象证明了光是横波。1自然光和偏振光(1)线偏振光如果光矢量只沿一个固定的方向振动的光(2)自然光平均来看,光

8、矢量对于光的传播方向呈轴对称均匀分布,没有任何一个方位更占优势,这种光称为自然光。(3)部分偏振光自然光在传播过程中,由

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