《光学与光子学概述》PPT课件

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1、光学与光子学概述主讲人：何苗教授华南师范大学光电子材料与技术研究所主要内容一、关于光的认识二、光辐射的电磁理论三、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、光在大气中的传播八、现代光学基础一、关于光的认识17世纪微粒说18世纪波动说19世纪电磁波20世纪波粒二象性二光辐射的电磁理论光辐射是电磁波，它服从电磁场基本规律（麦克斯韦方程和介质性能方程）。由于引起生理视觉效应、光化学效应以及探测器对光频段电磁波的响应主要是电磁场量中的电矢量，因此，光辐射的电磁理论主要是应用麦克斯韦方程求解光辐射场电矢量的

2、变化规律。1、光辐射的波动方程在无源（ρ=0）非磁性介质中，运用麦克斯韦方程并经一系列数学运算可以得到场量所满足的微分方程：(1)这就是光辐射普遍形式的波动方程。方程右边两项反映物质对光辐射场量的影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流引起。2、均匀介质中的平面波和球面波对于各向同性的无吸收介质，为标量，，利用矢量恒等式，亥姆霍兹方程可改写为：(2)(3)此方程平面波解的一般形式为此方程球面波解的一般形式为(4)式k中为波矢量，0为初相。3、电磁场的边界条件在光电子技术的许多实际应用中，经常涉及在两种或多种

3、物理性质不同的介质交界面（在该处ε、μ发生突变）处光辐射场量之间的关系。这时，求解麦克斯韦方程需要考虑边界条件。如图1所示，光辐射场的边界条件可以直接由麦克斯韦方程推得：(5)式中s为界面面电荷密度。在光学波段经常遇到的情况是s等于零，这时，界面两侧的切向分量以及的法向分量均连续。EtEn1，1，12，2，2图1界面上电场的法向和切向分量三、光的干涉1.基本概念①光的电磁理论光是某一波段的电磁波，其速度就是电磁波的传播速度；可见光在电磁波谱中只占很小的一部分，波长在390~760nm的狭窄范围以内。

4、②相干条件频率相同、振动方向相同、相位差恒定。③干涉的分类分波面干涉、分振幅干涉和分振动面干涉。四、光的衍射1.基本概念①衍射定义光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象。②衍射条件障碍物的线度和光的波长可以比拟③衍射的分类a.菲涅耳衍射：近场、求和、点光源。b.夫琅和费衍射：远场、积分、平行光。五、光的偏振⒈五种偏振态①自然光：透过理想偏振片后，光强变为原来的一半。②线偏振光：③部分偏振光：④圆偏振光：⑤椭圆偏振光：六、光的吸收、散射和色散1.光的吸收：——朗伯定律。2.光的散射

5、：——瑞利定律（天空、太阳、白云）3.光的色散：七光波在大气中的传播大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。由于大气构成成分的复杂性以及收受天气等因素影响的不稳定性，光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散散射会引起的光束能量衰减，空气折射率不均匀会引起的光波的振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性，因此有必要研究激光大气传播特性。1、大气衰减激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐

6、射能量空间重新分配）。吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。dI/I=(I-I)/I=dl为大气衰减系，在应用中，衰减系数常用单位为（1/km）或（dB/km），二者之间的换算关系为：(dB/km)=4.343(1/km)Idl图2上式积分后得大气透过率：(6)简化为：(7)此即为描述大气衰减的朗伯定律，表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。因为衰减系数描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响，所以可表示为：(8)km和m分别为分子的吸收和散射系数；ka和a分别大气气溶胶的

7、吸收和散射系数。对大气衰减的研究可归结为对上述四个基本衰减参数的研究。1）、大气分子的吸收光波在大气中传播时，大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。由此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。大气中N2、O2分子虽然含量

8、最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但其大气中的含量甚微，一般不考虑其吸收作用。只是在高空处，其它衰减因素都很弱时，才考虑它们吸收作用。H2O和CO2分子，