光電子技術(shù)教學(xué)課件2

1、2022/8/211 光子的相干性和光子簡并度相格的空間體積=相干體積？ 結(jié)論：1、相格空間體積以及一個(gè)光波模式或光子態(tài)占有的空間體積都等于相干體積。2、屬于同一量子態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，不同量子態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的。3、模式、光子的量子態(tài)、相干體積、相格等價(jià)光子簡并度當(dāng)體系處于熱平衡時(shí)，在n個(gè)光子中，出現(xiàn)在能量為 狀態(tài)的最可幾數(shù)目 是由體系溫度和能量決定的：由此可得黑體在溫度T下，在一定頻率間隔內(nèi)的平衡輻射能量：從而得到單位體積單位頻率間隔內(nèi)的黑體輻射能量為：2022/8/213光波模式和光量子態(tài)的等價(jià)問題光波模式：把每一個(gè)能代表場振動(dòng)的分布叫做光的一種模式。場的不

2、同本征振動(dòng)狀態(tài)表示為不同的模式。每一種本征振動(dòng)狀態(tài)表示的是在給定初始條件和邊界條件下的麥克斯韋方程組的一個(gè)特解。在光頻區(qū)，一種光的模式表示麥克斯韋方程組的一個(gè)特解，代表具有一定偏振、一定傳播方向、一定頻率和一定壽命的光波。2022/8/2142.1.2 折射 反射 全反射當(dāng)時(shí)，逐漸增大入射角，反射角會(huì)增大，達(dá)到直角2.1 光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2022/8/215此時(shí)有：當(dāng)時(shí)，入射光的能量全部被界面反射回光密介質(zhì)，即稱為全反射。2022/8/2162.1.3 偏振 （ Polarization ）振動(dòng)方向和傳播方向不對稱 1.光的偏振態(tài) 線偏振光： 光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)平行板面自然光：2.1 光學(xué)基礎(chǔ)知

3、識(shí)2022/8/217部分偏振光： 平行板面的光振動(dòng)較強(qiáng)垂直板面的光振動(dòng)較強(qiáng)2.1 光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2022/8/218圓偏振光、橢圓偏振光 右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光2.1 光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2022/8/2192. 偏振度 Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的強(qiáng)度It 部分偏振光的總強(qiáng)度In 部分偏振光中包含的自然光的強(qiáng)度完全偏振光 (線、圓、橢圓 ) P =1自然光 ( 非偏振光 ) P = 0部分偏振光 0 P ，D d (d 10 -4m, D m)波程差：相位差：明紋 暗紋 pr1r2xx0 xIxxDdo2022/8/2116條紋間距(1) 一系列平行的明暗相間的條紋； (3) 中間級次低

4、；明紋: k ，k =1,2,3(整數(shù)級)暗紋: (2k+1)/2 (半整數(shù)級)(4) 條紋特點(diǎn)：(2) 不太大時(shí)條紋等間距；某條紋級次 = 該條紋相應(yīng)的 (r2-r1)/2022/8/2117二 . 光強(qiáng)公式若 I1 = I2 = I0 ,則光強(qiáng)曲線I02-24-4k012-1-24I0 x0 x1x2x -2x -1sin0 /d- /d-2 /d2 /d2022/8/21182.1.5 光的衍射（Diffraction of light）1 衍射現(xiàn)象、惠更斯菲涅耳原理一. 光的衍射1.現(xiàn)象:*S衍射屏觀察屏a 10 - 3 a2.定義: 光在傳播過程中能繞過障礙物*S衍射屏觀察屏LL的邊

5、緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象2022/8/2119二. 惠更斯菲涅耳原理波傳到的任何一點(diǎn)都是子波的波源，pdE(p)rQdSS(波前)設(shè)初相為零n 遠(yuǎn)場衍射(2) 夫瑯禾費(fèi)衍射 近場衍射(1) 菲涅耳衍射 3. 分類:各子波在空間某點(diǎn)的相干疊加，就決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。2022/8/2120P處波的強(qiáng)度取決于波前上Q點(diǎn)處的強(qiáng)度K( ):方向因子2022/8/21212 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射、半波帶法一.裝置*S f f a透鏡L透鏡LpAB縫平面觀察屏0二.半波帶法 (縫寬)S: 單色光源 : 衍射角 中央明紋(中心) 當(dāng) 時(shí)，可將縫分為兩個(gè)“半波帶” AP和BP的光程差2022/8/2122a12BA

6、半波帶半波帶12兩個(gè)“半波帶”上發(fā)的光在P處干涉相消形成暗紋。 當(dāng) 時(shí)，可將縫分成三個(gè)“半波帶”P處近似為明紋中心Ba/2A/2半波帶半波帶12122022/8/2123a/2BA形成暗紋。 當(dāng) 時(shí),可將縫分成四個(gè)“半波帶”,暗紋明紋(中心) 中央明紋(中心)上述暗紋和中央明紋(中心)位置是準(zhǔn)確的，其余明紋中心的位置較上稍有偏離。一般情況2022/8/2124三. 振幅矢量法、光強(qiáng)公式( N很大 )每個(gè)窄帶發(fā)的子波在P點(diǎn)振幅近似相等,設(shè)為P處的合振幅EP 就是各子波的振幅矢量和的模透鏡 fpxxxsin縫平面縫寬aABC0觀測屏2022/8/2125P 處是多個(gè)同方向、同頻率、同振幅、初對于O

7、點(diǎn): = 0 , = 0E0E0E0 = N E0對于其他點(diǎn)P： EP E0EPE0當(dāng)N 時(shí), N個(gè)相接的折線將變?yōu)橐粋€(gè)圓弧。相依次差一個(gè)恒量 的簡諧振動(dòng)的合成，合成的結(jié)果仍為簡諧振動(dòng)。2022/8/2126令有 又P點(diǎn)的光強(qiáng)REPE02022/8/2127由 可得(1) 主極大（中央明紋中心）位置：(2) 極?。ò导y）位置：由 得可 (3) 次極大位置：2022/8/2128解得 :相應(yīng) :(4)光強(qiáng) :從中央往外各次極大的光強(qiáng)依次為:0.0472I0 , 0.0165I0 , 0.0083I0 , I次極大 I主極大-2.46o2-2yy1 = tgy2 = +2.46-1.43+1.43

8、2022/8/2129相對光強(qiáng)曲線 0 /a-( /a)2( /a)-2( /a)sin0.0470.017 1I / I00.0470.017四. 條紋寬度1.中央明紋:xI0 x1x2衍射屏透鏡觀測屏x0 f1時(shí)，角寬度線寬度衍射反比定律2022/8/21302. 其他明紋(次極大)3. 波長對條紋寬度的影響 4. 縫寬變化對條紋的影響波長越長，條紋寬度越寬縫寬越小，條紋寬度越寬當(dāng) 時(shí)，屏幕是一片亮I0sin2022/8/2131幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在 /a 0時(shí)的極限情形只顯出單一的明條紋 單縫的幾何光學(xué)像當(dāng) ， 時(shí)， 2022/8/21322.2.1、麥克斯韋方程組的積分形式：2.2麥克

9、斯韋方程組與電介質(zhì)傳導(dǎo)電流密度 :運(yùn)流電流密度: 2022/8/2133微分形式的麥克斯韋方程組： 由于存在電荷守恒定律，麥克斯韋方程組中后兩個(gè)散度方程可以從前兩個(gè)旋度方程導(dǎo)出，故不是獨(dú)立的。 總共有三個(gè)獨(dú)立的矢量方程 ， 五個(gè)矢量 一個(gè)標(biāo)量 ，還缺兩個(gè)矢量方程狀態(tài)方程。2022/8/2134狀態(tài)方程： 2022/8/21352.2.2 電介質(zhì)1.電介質(zhì)的特性 電極化強(qiáng)度為： 介質(zhì)折射率為： 所以有： 即介質(zhì)的特性包括：線性特性、非色散特性、均勻特性、各向同性、空間非色散性2022/8/2136 簡單介質(zhì) 非均勻介質(zhì) 各向異性介質(zhì) 非線性介質(zhì) 色散介質(zhì) 諧振介質(zhì)2 .電介質(zhì)的分類2022/8/

10、21372.3 平面電磁波的傳播2.3.1 電磁波動(dòng)方程 媒質(zhì) 均勻,線性,各向同性。若不考慮位移電流，就是MQS場中的擴(kuò)散方程。從電磁場基本方程組推導(dǎo)電磁波動(dòng)方程討論前提： 脫離激勵(lì)源；1）2）2022/8/2138 均勻平面波條件：結(jié)論 Ex=Hx=0 （時(shí)變場），沿波傳播方向上無場的分量，稱為TEM波。（4）（5）（6） 即（1）（2）（3）由 得由 得由由 選擇坐標(biāo)軸，令Ez=0, 則 Hy=0,從式(2)、（6）導(dǎo)出一維標(biāo)量波動(dòng)方程2.3.2 均勻平面波2022/8/21392.2.3 理想介質(zhì)中的均勻平面波1 波動(dòng)方程的解及其傳播特性方程的解 波阻抗入射（反射）電場與入射（反射）磁

11、場的比值 能量的傳播方向與波的傳播方向一致。傳播特性 （單一頻率）電磁波的相速 ，真空中 m/s( 歐姆 )及方程2022/8/21402正弦穩(wěn)態(tài)電磁波式中 傳播常數(shù)， 波數(shù)、相位常數(shù)（ ）， 波長（m）。式中 是待定復(fù)常數(shù)，由邊界條件確定。 E 、H 、S在空間相互正交，波阻抗為實(shí)數(shù)； 相位速度的證明：相速是等相位面前進(jìn)的速度 場量的幅值與 無關(guān)，是等幅波； 反映 弧度中波長的個(gè)數(shù)，又稱波數(shù) ； 其解2022/8/2141 2.2.4導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波 正弦電磁波的波動(dòng)方程復(fù)數(shù)形式為 復(fù)介電常數(shù)式中用分別替換理想介質(zhì)中的 k 和 ，當(dāng) ，稱為良導(dǎo)體，良導(dǎo)體中波的傳播特性： E , H 為

12、減幅波（集膚效應(yīng)）；圖6.3.1 導(dǎo)電媒質(zhì)中正弦均勻平面波沿x方向的傳播 波阻抗為復(fù)數(shù), 超前 理想介質(zhì)與良導(dǎo)體中均勻平面波傳播特性的比較。電磁波是色散波,與 有關(guān)。2022/8/21422.2.5 平面波的反射與折射 本節(jié)從電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律出發(fā)，討論均勻平面波以任意角度入射到無限大平面分界面時(shí)出現(xiàn)的反射與折射情況。圖6.5.1 平面波的斜入射圖6.5.2 垂直極化波的斜入射垂直極化波E與入射面垂直；入射面 與n所在的平面；平行極化波E與入射面平行；圖6.5.3 平行極化波的斜入射2022/8/21431 理想介質(zhì)中垂直極化波的斜入射 媒質(zhì)1：媒質(zhì)2：1. 在z=0 平面上, E1t=E2t

13、 , 有等式對任意x成立,必有用 代入上式, 得可見 反射角=入射角反射定律；折射定律，斯耐爾定律。圖6.5.4 局部坐標(biāo)2022/8/21442.在 z=0 平面上,E1t=E2 t , H1t=H2t ,有聯(lián)立求解兩式,得到菲涅爾公式反射系數(shù)折射系數(shù)若為正入射, 則和2022/8/21452理想介質(zhì)中平行極化波的斜入射 1. 在 z=0平面上 , E1t=E2t , 同上分析, 有反射定律折射定律2. 在 z=0 平面上 , E1t=E2t , H1t=H2t ,有聯(lián)立解后,得到平行極化波的菲涅爾公式反射系數(shù)折射系數(shù)若為正入射, 則和2022/8/2146 3 理想介質(zhì)中的全反射和全折射1.全反射根據(jù)折射定律全反射條件：（電磁波從光密媒質(zhì)到光疏媒質(zhì)），全反射時(shí)，折射波在分界面表面（區(qū)域2）沿著x方向傳播， 沿x方向傳播的電磁波又稱為分界面上的表面波。如介質(zhì)波導(dǎo)就是一種表面波傳播系統(tǒng)。當(dāng) 即 時(shí)