光學(xué)和光子學(xué)概述

1、關(guān)于光學(xué)與光子學(xué)概述第一張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月主 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) 第二張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、關(guān)于光的認(rèn)識(shí)17世紀(jì) 微粒說(shuō)18世紀(jì) 波動(dòng)說(shuō)19世紀(jì) 電磁波20世紀(jì) 波粒二象性第三張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 二 光輻射的電磁理論 光輻射是電磁波，它服從電磁場(chǎng)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(jué)效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)以及探測(cè)器對(duì)光頻段電磁波的響應(yīng)主要是電磁場(chǎng)量中的電矢量，因此，光輻射的電磁理論主要

2、是應(yīng)用麥克斯韋方程求解光輻射場(chǎng)電矢量的變化規(guī)律。第四張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、 光輻射的波動(dòng)方程 在無(wú)源（=0）非磁性介質(zhì)中，運(yùn)用麥克斯韋方程并經(jīng)一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算可以得到場(chǎng)量所滿(mǎn)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(chǎng)量的影響，起“源”的作用，分別由極化電荷與傳導(dǎo)電流引起。 第五張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、均勻介質(zhì)中的平面波和球面波 對(duì)于各向同性的無(wú)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(xiě)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，

3、0為初相。 第六張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、電磁場(chǎng)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、發(fā)生突變）處光輻射場(chǎng)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(chǎng)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。第七張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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)。 EtEn1，1，12，2，2圖1 界面上電場(chǎng)的法向和切向分量第八張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、光的干涉1. 基本概念光的電

4、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(jiàn)光在電磁波譜中只占很小的一部分，波長(zhǎng)在 390 760 nm 的狹窄范圍以?xún)?nèi)。相干條件 頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定。干涉的分類(lèi)分波面干涉、分振幅干涉和分振動(dòng)面干涉。 第九張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、光的衍射1. 基本概念 衍射定義 光繞過(guò)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)分布不均勻的現(xiàn)象。 衍射條件 障礙物的線度和光的波長(zhǎng)可以比擬 衍射的分類(lèi) a. 菲涅耳衍射：近場(chǎng)、求和、點(diǎn)光源。 b. 夫瑯和費(fèi)衍射：遠(yuǎn)場(chǎng)、積分、平行光。第十張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月五、光的偏振 五種偏

5、振態(tài)自然光： 透過(guò)理想偏振片后，光強(qiáng)變?yōu)樵瓉?lái)的一半。 線偏振光： 部分偏振光： 圓偏振光：橢圓偏振光：第十一張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月六、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(yáng)、白云） 3.光的色散：第十二張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月七 光波在大氣中的傳播 大氣激光通信、探測(cè)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

6、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。 第十三張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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(lái)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第十四張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月上式積分后得大氣透過(guò)率 ： (6) 簡(jiǎn)化為： (7) 此即

7、為描述大氣衰減的朗伯定律，表明光強(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。 第十五張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 因?yàn)樗p系數(shù)描述了吸收和散射兩種獨(dú)立物理過(guò)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。 第十六張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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(chǎng)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

8、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波的紫外和可見(jiàn)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(lài)于光波的頻率。 第十七張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 大氣中N2、O2分子雖然含量最多（約90%），但它們?cè)诳梢?jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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，

9、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，特別是H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)及純振動(dòng)結(jié)構(gòu)，是可見(jiàn)光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子，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(zhǎng)如表2-1所示。 第十八張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月表1： 可見(jiàn)光和近紅外區(qū)主要吸收譜線吸收分子主要吸收譜線中心波長(zhǎng)(m)H2O0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.66 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3CO21.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4O24.7 9.6 從表1

10、不難看出，對(duì)某些特定的波長(zhǎng)，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收，光波幾乎無(wú)法通過(guò)。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(gè)區(qū)段，將透過(guò)率較高的波段稱(chēng)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(zhǎng)都處于這些窗口之內(nèi)。 第十九張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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(jì)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(huì)向其他方向傳播，從而導(dǎo)致光在各個(gè)方向上的散射。 在可見(jiàn)光（0.40-0.76 m ）和近紅外波段，輻射波長(zhǎng)總是遠(yuǎn)大于分子的線度，這一條件下的散射為瑞利散射。瑞利散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比。

11、 (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(zhǎng)（cm）。 第二十張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 由于分子散射波長(zhǎng)的四次方成反比。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱；波長(zhǎng)越短，散射越強(qiáng)烈。故可見(jiàn)光比紅外光散射強(qiáng)烈，藍(lán)光又比紅光散射強(qiáng)烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因?yàn)樗{(lán)光散射最強(qiáng)烈，故明朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色。 第二十一張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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(jī)

12、微生物等。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(chēng)為大氣氣溶膠。 氣溶膠對(duì)光波的衰減包括氣溶膠的散射和吸收。 當(dāng)光的波長(zhǎng)相當(dāng)于或小于散射粒子尺寸時(shí)，即產(chǎn)生米-德拜散射。米-德拜散射則主要依賴(lài)于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，與波長(zhǎng)的關(guān)系遠(yuǎn)不如瑞利散射強(qiáng)烈（可以近似認(rèn)為與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)）。 第二十二張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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(lèi)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) 天氣類(lèi)型N (cm-3)amax (m)氣溶膠類(lèi)型霾M100 cm-33海上或岸邊的氣溶膠霾L100

13、cm-32大陸性氣溶膠霾H100 cm-30.6高空或平流層的氣溶膠雨M100 cm-33000小雨或中雨雨L1000 m-32000大雨冰雹H10 m-36000含有大量小顆粒的冰雹積云C.1100 cm-315積云或?qū)釉?、霧云C.2100 cm-37有色環(huán)的云云C.3100 cm-33.5貝母云云C.4100 cm-35.5太陽(yáng)周?chē)碾p層或三層環(huán)的云第二十三張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、光子的基本特性愛(ài)因斯坦根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合普朗克能量子假說(shuō),提出了光量子理論:光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的光子流,光子和其它基本粒子一樣,具有能量、動(dòng)量和質(zhì)量。它的粒子屬性（能量、動(dòng)量、質(zhì)量等）和

14、波動(dòng)屬性（頻率、波矢、偏振等）之間的關(guān)系滿(mǎn)足：八、 現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)第二十四張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(4)、光子具有兩種可能的獨(dú)立偏振態(tài)，對(duì)應(yīng) 于光波場(chǎng)的兩個(gè)獨(dú)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(fèi)米子。）第二十五張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.原子發(fā)光機(jī)理 玻爾的氫原子模型 ：第二十六張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Si(111)-7x7表面的原子力顯微鏡照片 第二十七張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月原子發(fā)光機(jī)理受激吸收概率：為愛(ài)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(chǎng)能量密度

15、為E1能級(jí)上的原子數(shù)密度,（a) 受激吸收處于低能級(jí)態(tài)的原子在一定條件下的輻射場(chǎng)作用下，吸收一個(gè)光子， 躍遷到高能級(jí)態(tài)。第二十八張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(b) 自發(fā)輻射 光子能量：自發(fā)躍遷概率：?jiǎn)挝粫r(shí)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(jí)態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級(jí)態(tài)，并同時(shí)向外輻射出一個(gè)光子（自發(fā)輻射只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)的 無(wú)關(guān)） 。第二十九張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 (c) 受激輻射受激輻射的概率：稱(chēng)為愛(ài)因斯坦受激發(fā)射系數(shù)。處于高能級(jí)態(tài)的原子在一定條件下的輻射場(chǎng)作用下，躍遷到低能級(jí)態(tài)，并同時(shí)輻射出一個(gè)與入射光子完全一樣

16、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。第三十張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. 激 光定義： 由激光器產(chǎn)生的，波長(zhǎng)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aser”“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”. 原理： 通過(guò)輻射的受激發(fā)射而實(shí)現(xiàn)光放大。第三十一張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月特點(diǎn)：?jiǎn)紊约眩?頻寬： 自然線寬： 多普勒寬度： 譜線寬度： 相干性強(qiáng)： 相干長(zhǎng)度：lH = c tH 。 邁克

17、耳孫干涉儀光的時(shí)間相干性； 楊氏實(shí)驗(yàn)光源的空間相干性。方向性好：發(fā)散角小亮度高、照度大。第三十二張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月種類(lèi)：亦可按激光器工作方式、激勵(lì)方式及諧振腔 等分?？傊还茉鯓臃?，每一類(lèi)都包括許多激光器。按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分第三十三張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4.非線性光學(xué) 物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)與光的場(chǎng)強(qiáng)成線性關(guān)系線性光學(xué)；物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)與光的場(chǎng)強(qiáng)為非線性關(guān)系非線性光學(xué)，即： 強(qiáng)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(guò)程第三十四張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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(qiáng)度）信息。 原理： 雙光束干涉。第三十五張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 特點(diǎn)：a. 它是一個(gè)