教學(xué)第二章信息光電子學(xué)基礎(chǔ)課件

第二章信息光電子學(xué)基礎(chǔ)第二章信息光電子學(xué)基礎(chǔ)1光學(xué)是一門古老而又年輕、極具生命活力的物理學(xué)科，具有強大的生命力和不可估量的發(fā)展前途。▲信息光電子學(xué)研究內(nèi)容1、光信息的產(chǎn)生、采集、傳輸、存儲、處理、控制的運動規(guī)律。２、光和物質(zhì)的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的機械作用、光的熱效應(yīng)、光的電效應(yīng)、光的化學(xué)效應(yīng)、光的生理效應(yīng)等。３、光的本質(zhì)的研究。內(nèi)容可分為幾何光學(xué)、波動光學(xué)、量子光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)。2.1信息光電子學(xué)的理論體系的發(fā)展光學(xué)是一門古老而又年輕、極具生命活力的物理學(xué)科2波動光學(xué)電磁光學(xué)幾何光學(xué)量子光學(xué)非線性光學(xué)非線性光學(xué) ------- 研究光與物質(zhì)作用理論；

電磁光學(xué) ------- 基于Maxwell方程的研究理論；

量子光學(xué) ------- 基于量子論的理論；

▲信息光電子學(xué)研究理論體系波動光學(xué)電磁光學(xué)幾何光學(xué)量子光學(xué)非線性光學(xué)非線性光學(xué) ---3周朝的金燧取火（公元前1000年）古埃及金字塔出土的平面鏡（公元前1000年）；《墨經(jīng)》中的光線傳播，平面鏡、凹面鏡、凸面鏡的成像（公元前400年）；Euclid的《反射光學(xué)》（公元前400年）；南宋沈括《夢溪筆談》中，針孔成像、球面鏡成像、虹霓、月蝕現(xiàn)象的描述。1.古代光學(xué) 公元前------16世紀宏觀光學(xué)現(xiàn)象的直觀認識▲信息光電子學(xué)發(fā)展史1.古代光學(xué) 公元前------16世紀宏觀光學(xué)現(xiàn)象的直觀認42.經(jīng)典光學(xué) 17世紀------19世紀Galilei（伽利略）望遠鏡（1610年），發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)；Kepler（開普列）望遠鏡用于天體觀測（1611），Kepler三定律；Snell（斯涅爾

）折射定律（1621年）；Fermat（費馬）原理:“自然界以時間最短作為行為準則”（1657);Newton（牛頓）的微粒學(xué)說、色散實驗（1666年）;Romer（羅默）根據(jù)木星的月蝕測出光速有限（≈214000km/s）（1676）；Huggens（惠更斯）的波動學(xué)說（1678）；2.經(jīng)典光學(xué) 17世紀------19世紀Ga5Young（楊氏）的干涉實驗（1801）；Fresnel（菲涅耳）的波動理論（1814）、反射折射定律(1832)Fizeau（斐索）用旋轉(zhuǎn)齒輪測光速（≈315300km/s）(1849)Foucault（萊昂·傅科）測出水中光速比空氣中光速?。?850），與微粒學(xué)說矛盾，與波動說吻合；Maxwell(麥克斯韋）的電磁波理論(1873)光速Michelson&Morley的干涉實驗（1887）；19世紀末確立了光的波動理論的統(tǒng)治地位。

Young（楊氏）的干涉實驗（1801）；19世紀末確63.近現(xiàn)代光學(xué) 1900-----量子論（1900）；Einstein（愛因斯坦）發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)（1905）；deBroglie（德布羅意）的物質(zhì)波理論（1924）；Born的波粒二像性理論（1925）；

Maiman激光器的誕生（1960）；QuantumOptics（量子光學(xué)）；NonlinearOptics（非線性光學(xué)）；IntegratedOptics（集成光學(xué)）；OpticalCommunication（光通信）；Holography（全息學(xué)）；Photonics（光子學(xué)）；….現(xiàn)代光學(xué)的分支和技術(shù)3.近現(xiàn)代光學(xué) 1900-----量子論（1900）；7萌芽時期（約公元前400年—公元16世紀）成就發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了一些實驗現(xiàn)象，如平面鏡成像、透鏡成像、凹凸面鏡成像、針孔成像的現(xiàn)象和規(guī)律。造出了透鏡、凹凸面鏡、眼鏡、暗箱等光學(xué)元件。幾何光學(xué)時期（公元16世紀—公元19世紀）成就建立了光的反射和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)了干涉、衍射、偏振等光的波動現(xiàn)象，以惠更斯為代表的波動說初步提出。造出望遠鏡（H.Lippershey

，1587—1619年）、顯微鏡（Z.Janssen，1580—1656年），極大地推動了天文、航海、生物學(xué)的發(fā)展。

為幾何光學(xué)向波動光學(xué)過渡時期，是人們對光的認識逐步深化的時期。萌芽時期（約公元前400年—公元16世紀）成就發(fā)現(xiàn)和8波動光學(xué)時期（公元19世紀）成就惠更斯—菲涅耳原理成功地解釋了光的直線傳播、干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，奠定了波動光學(xué)的基礎(chǔ)；法拉第（M.Faraday，1791—1897年）和麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879年）等人揭示了光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，赫茲（H.R.hertz，1857—1894年）測得電磁波的傳播速度等于光速，確定了光的電磁理論基礎(chǔ)。成功地測定了光的波長，用多種實驗方法測定了光在各種介質(zhì)中的傳播速度。

光的電磁理論在整個物理學(xué)的發(fā)展中起著很總要的作用，使人們在認識光的本性方面向前邁出了一大步。波動光學(xué)時期（公元19世紀）成就惠更斯—菲涅耳原理成9量子光學(xué)時期（公元19世紀末—公元20世紀上半葉）成就愛因斯坦（1879—1947年）發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè)，提出了光的量子說，圓滿的解釋了光電效應(yīng)，并被康普頓效應(yīng)等許多實驗證實，使人們認識到光的波粒二象性。

光和一切微觀粒子都具有波粒二象性，這個認識促進了原子核和基本粒子研究的發(fā)展，也推動人們進一步探索光和物質(zhì)的本質(zhì)，包括實物和場的本質(zhì)問題?，F(xiàn)代光學(xué)時期20世紀60年代以來是光學(xué)發(fā)展最為迅速活躍的時期。成就激光問世（T.H.Maiman，1927—），全息術(shù)、微波、光纖、紅外技術(shù)的應(yīng)用乃至光計算機的研制，使光學(xué)成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最重要的前沿之一；理論上出現(xiàn)了許多新的分支學(xué)科和邊緣學(xué)科，如傅里葉光學(xué)、非線性光學(xué)、量子光學(xué)、激光光譜學(xué)、集成光學(xué)等。

現(xiàn)代光學(xué)與其他科學(xué)技術(shù)的結(jié)合使人們對光本質(zhì)的認識進一步向前發(fā)展，并在社會生活和生產(chǎn)活動中發(fā)揮極其重要的作用。量子光學(xué)時期（公元19世紀末—公元20世紀上半葉）成就10信息光電子學(xué)光的產(chǎn)生光的傳播光信息獲取熱輻射理論光和物質(zhì)相互作用自發(fā)輻射大氣中的光傳播晶體中的光傳播薄膜介質(zhì)中的光傳播光電信號的轉(zhuǎn)換光學(xué)成像人眼受激輻射光學(xué)變換介質(zhì)傳輸光學(xué)幾何光學(xué)真空中的光傳播物理光學(xué)經(jīng)典電磁場理論——經(jīng)典理論電磁光學(xué)、量子光學(xué)非線性光學(xué)光電子發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)熱效應(yīng)幾何成像衍射成像掃描成像菲涅耳環(huán)帶片成像全息成像光譜變換光信息控制光信息處理電光效應(yīng)圖像增強激光技術(shù)空間濾波信息光電子學(xué)理論構(gòu)架信息光電子學(xué)光的產(chǎn)生光的傳播光信息獲取熱輻射理論光和物質(zhì)相互112.2光信息的產(chǎn)生2.2.1熱輻射理論理論體系：經(jīng)典電磁場理論，電偶諧振子振蕩黑體輻射的基本定律——普朗克定律：h:普朗克常數(shù)6.6263×10-34W·S2，k:玻耳茲曼常數(shù)1.38×10-23W·s·K-12.2光信息的產(chǎn)生2.2.1熱輻射理論理論體系：經(jīng)典電磁12斯忒藩－玻耳茲曼定律（從一平方米表面積的黑體輻射到半球空間的總輻射量）斯忒藩－玻耳茲曼常數(shù)：(W·m-2)(W·m-2·K-4)

單位方向的輻射量：斯忒藩－玻耳茲曼定律（從一平方米表面積的黑體輻射到半球空間的13維恩位移定律：微分普朗克公式，求極大值，得到溫度和峰值波長的關(guān)系峰值光譜輻射度：（A＝2898m·K）

（b＝1.2862×10-11W·m-2·K-5·m-1）

維恩位移定律：微分普朗克公式，求極大值，得到142.2.2光和物質(zhì)的相互作用自發(fā)發(fā)射：經(jīng)典電磁場理論，麥克斯韋方程，電偶極子自發(fā)輻射受激發(fā)射：經(jīng)典電動力學(xué)、電磁光學(xué)、半經(jīng)典理論、量子電動力學(xué)、量子電磁力學(xué)光譜變換：非線性光學(xué)麥克斯韋方程：經(jīng)典電磁場理論理論體系：2.2.2光和物質(zhì)的相互作用自發(fā)發(fā)射：經(jīng)典電磁場理論，麥克152.2.3光輻射波長10141013101210111010109108107106105104103102101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10波長/m長電磁振蕩無線電波微波X射線射線宇宙射線千米波米波厘米波毫米波40m1000m6m3m760nm622nm597nm577nm492nm455nm380nm300nm200nm10nm遠紅外光中紅外光近紅外光紅光橙光黃光綠光藍光紫光近紫外光遠紫外光極遠紫外光極遠紅外光紅外線可見光紫外線2.2.3光輻射波長1014101310121011101162.3光信息的描述1、單色波單色平面波：可以分解為時間相位因子和空間相位因子球面光波：柱面光波：高斯光束：2.3光信息的描述1、單色波單色平面波：可以分解為時間相位172、頻率譜對于非單色光，它是由多個頻率合成的光信號，針對于光波頻率因子，及縱模，是時間上的頻率2、頻率譜對于非單色光，它是由多個頻率合成的183、空間頻率與空間頻率譜在方向的空間頻率：光波強度在空間上的分布3、空間頻率與空間頻率譜在方向的空間頻率：光波強度在空間192.4.1光在各向同性介質(zhì)界面上的反射和折射反射定律和折射定律反射率和投射率反射和折射的相位特性反射和折射的偏振特性全反射2.4光信息的傳輸2.4.1光在各向同性介質(zhì)界面上的反射和折射反射定律和折射202.4.2光在各向同性介質(zhì)中的傳輸介質(zhì)吸收介質(zhì)色散介質(zhì)散射光的衍射：夫浪和費衍射、菲涅耳衍射2.4.3光在各向異性介質(zhì)中的傳輸非線性效應(yīng)晶體的雙折射電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等2.4.2光在各向同性介質(zhì)中的傳輸介質(zhì)吸收2.4.3光在21光信息技術(shù)基礎(chǔ)光信息的產(chǎn)生光信息的傳輸技術(shù)光信息的采集黑體輻射技術(shù)激光技術(shù)非線性光學(xué)技術(shù)光學(xué)傳感器技術(shù)人眼光學(xué)成像技術(shù)光電信號轉(zhuǎn)換技術(shù)激光雷達技術(shù)圖像信息識別技術(shù)光纖通信技術(shù)激光空間通信技術(shù)光盤存儲技術(shù)全息存儲技術(shù)激光加工技術(shù)激光醫(yī)療技術(shù)光電對抗技術(shù)強激光技術(shù)激光生物技術(shù)光信息的存儲技術(shù)光信息的顯示圖像顯示技術(shù)光信息的控制技術(shù)光信息的加工及處理技術(shù)空間濾波技術(shù)光計算技術(shù)圖像增強技術(shù)空間光調(diào)制技術(shù)2.5信息光電子的技術(shù)基礎(chǔ)光信息技術(shù)基礎(chǔ)光信息的產(chǎn)生光信息的傳輸技術(shù)光信息的采集黑體輻22第二章信息光電子學(xué)基礎(chǔ)第二章信息光電子學(xué)基礎(chǔ)23光學(xué)是一門古老而又年輕、極具生命活力的物理學(xué)科，具有強大的生命力和不可估量的發(fā)展前途?！畔⒐怆娮訉W(xué)研究內(nèi)容1、光信息的產(chǎn)生、采集、傳輸、存儲、處理、控制的運動規(guī)律。２、光和物質(zhì)的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的機械作用、光的熱效應(yīng)、光的電效應(yīng)、光的化學(xué)效應(yīng)、光的生理效應(yīng)等。３、光的本質(zhì)的研究。內(nèi)容可分為幾何光學(xué)、波動光學(xué)、量子光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)。2.1信息光電子學(xué)的理論體系的發(fā)展光學(xué)是一門古老而又年輕、極具生命活力的物理學(xué)科24波動光學(xué)電磁光學(xué)幾何光學(xué)量子光學(xué)非線性光學(xué)非線性光學(xué) ------- 研究光與物質(zhì)作用理論；

電磁光學(xué) ------- 基于Maxwell方程的研究理論；

量子光學(xué) ------- 基于量子論的理論；

▲信息光電子學(xué)研究理論體系波動光學(xué)電磁光學(xué)幾何光學(xué)量子光學(xué)非線性光學(xué)非線性光學(xué) ---25周朝的金燧取火（公元前1000年）古埃及金字塔出土的平面鏡（公元前1000年）；《墨經(jīng)》中的光線傳播，平面鏡、凹面鏡、凸面鏡的成像（公元前400年）；Euclid的《反射光學(xué)》（公元前400年）；南宋沈括《夢溪筆談》中，針孔成像、球面鏡成像、虹霓、月蝕現(xiàn)象的描述。1.古代光學(xué) 公元前------16世紀宏觀光學(xué)現(xiàn)象的直觀認識▲信息光電子學(xué)發(fā)展史1.古代光學(xué) 公元前------16世紀宏觀光學(xué)現(xiàn)象的直觀認262.經(jīng)典光學(xué) 17世紀------19世紀Galilei（伽利略）望遠鏡（1610年），發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)；Kepler（開普列）望遠鏡用于天體觀測（1611），Kepler三定律；Snell（斯涅爾

）折射定律（1621年）；Fermat（費馬）原理:“自然界以時間最短作為行為準則”（1657);Newton（牛頓）的微粒學(xué)說、色散實驗（1666年）;Romer（羅默）根據(jù)木星的月蝕測出光速有限（≈214000km/s）（1676）；Huggens（惠更斯）的波動學(xué)說（1678）；2.經(jīng)典光學(xué) 17世紀------19世紀Ga27Young（楊氏）的干涉實驗（1801）；Fresnel（菲涅耳）的波動理論（1814）、反射折射定律(1832)Fizeau（斐索）用旋轉(zhuǎn)齒輪測光速（≈315300km/s）(1849)Foucault（萊昂·傅科）測出水中光速比空氣中光速小（1850），與微粒學(xué)說矛盾，與波動說吻合；Maxwell(麥克斯韋）的電磁波理論(1873)光速Michelson&Morley的干涉實驗（1887）；19世紀末確立了光的波動理論的統(tǒng)治地位。

Young（楊氏）的干涉實驗（1801）；19世紀末確283.近現(xiàn)代光學(xué) 1900-----量子論（1900）；Einstein（愛因斯坦）發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)（1905）；deBroglie（德布羅意）的物質(zhì)波理論（1924）；Born的波粒二像性理論（1925）；

Maiman激光器的誕生（1960）；QuantumOptics（量子光學(xué)）；NonlinearOptics（非線性光學(xué)）；IntegratedOptics（集成光學(xué)）；OpticalCommunication（光通信）；Holography（全息學(xué)）；Photonics（光子學(xué)）；….現(xiàn)代光學(xué)的分支和技術(shù)3.近現(xiàn)代光學(xué) 1900-----量子論（1900）；29萌芽時期（約公元前400年—公元16世紀）成就發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了一些實驗現(xiàn)象，如平面鏡成像、透鏡成像、凹凸面鏡成像、針孔成像的現(xiàn)象和規(guī)律。造出了透鏡、凹凸面鏡、眼鏡、暗箱等光學(xué)元件。幾何光學(xué)時期（公元16世紀—公元19世紀）成就建立了光的反射和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)了干涉、衍射、偏振等光的波動現(xiàn)象，以惠更斯為代表的波動說初步提出。造出望遠鏡（H.Lippershey

，1587—1619年）、顯微鏡（Z.Janssen，1580—1656年），極大地推動了天文、航海、生物學(xué)的發(fā)展。

為幾何光學(xué)向波動光學(xué)過渡時期，是人們對光的認識逐步深化的時期。萌芽時期（約公元前400年—公元16世紀）成就發(fā)現(xiàn)和30波動光學(xué)時期（公元19世紀）成就惠更斯—菲涅耳原理成功地解釋了光的直線傳播、干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，奠定了波動光學(xué)的基礎(chǔ)；法拉第（M.Faraday，1791—1897年）和麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879年）等人揭示了光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，赫茲（H.R.hertz，1857—1894年）測得電磁波的傳播速度等于光速，確定了光的電磁理論基礎(chǔ)。成功地測定了光的波長，用多種實驗方法測定了光在各種介質(zhì)中的傳播速度。

光的電磁理論在整個物理學(xué)的發(fā)展中起著很總要的作用，使人們在認識光的本性方面向前邁出了一大步。波動光學(xué)時期（公元19世紀）成就惠更斯—菲涅耳原理成31量子光學(xué)時期（公元19世紀末—公元20世紀上半葉）成就愛因斯坦（1879—1947年）發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè)，提出了光的量子說，圓滿的解釋了光電效應(yīng)，并被康普頓效應(yīng)等許多實驗證實，使人們認識到光的波粒二象性。

光和一切微觀粒子都具有波粒二象性，這個認識促進了原子核和基本粒子研究的發(fā)展，也推動人們進一步探索光和物質(zhì)的本質(zhì)，包括實物和場的本質(zhì)問題?，F(xiàn)代光學(xué)時期20世紀60年代以來是光學(xué)發(fā)展最為迅速活躍的時期。成就激光問世（T.H.Maiman，1927—），全息術(shù)、微波、光纖、紅外技術(shù)的應(yīng)用乃至光計算機的研制，使光學(xué)成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最重要的前沿之一；理論上出現(xiàn)了許多新的分支學(xué)科和邊緣學(xué)科，如傅里葉光學(xué)、非線性光學(xué)、量子光學(xué)、激光光譜學(xué)、集成光學(xué)等。

現(xiàn)代光學(xué)與其他科學(xué)技術(shù)的結(jié)合使人們對光本質(zhì)的認識進一步向前發(fā)展，并在社會生活和生產(chǎn)活動中發(fā)揮極其重要的作用。量子光學(xué)時期（公元19世紀末—公元20世紀上半葉）成就32信息光電子學(xué)光的產(chǎn)生光的傳播光信息獲取熱輻射理論光和物質(zhì)相互作用自發(fā)輻射大氣中的光傳播晶體中的光傳播薄膜介質(zhì)中的光傳播光電信號的轉(zhuǎn)換光學(xué)成像人眼受激輻射光學(xué)變換介質(zhì)傳輸光學(xué)幾何光學(xué)真空中的光傳播物理光學(xué)經(jīng)典電磁場理論——經(jīng)典理論電磁光學(xué)、量子光學(xué)非線性光學(xué)光電子發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)熱效應(yīng)幾何成像衍射成像掃描成像菲涅耳環(huán)帶片成像全息成像光譜變換光信息控制光信息處理電光效應(yīng)圖像增強激光技術(shù)空間濾波信息光電子學(xué)理論構(gòu)架信息光電子學(xué)光的產(chǎn)生光的傳播光信息獲取熱輻射理論光和物質(zhì)相互332.2光信息的產(chǎn)生2.2.1熱輻射理論理論體系：經(jīng)典電磁場理論，電偶諧振子振蕩黑體輻射的基本定律——普朗克定律：h:普朗克常數(shù)6.6263×10-34W·S2，k:玻耳茲曼常數(shù)1.38×10-23W·s·K-12.2光信息的產(chǎn)生2.2.1熱輻射理論理論體系：經(jīng)典電磁34斯忒藩－玻耳茲曼定律（從一平方米表面積的黑體輻射到半球空間的總輻射量）斯忒藩－玻耳茲曼常數(shù)：(W·m-2)(W·m-2·K-4)

單位方向的輻射量：斯忒藩－玻耳茲曼定律（從一平方米表面積的黑體輻射到半球空間的35維恩位移定律：微分普朗克公式，求極大值，得到溫度和峰值波長的關(guān)系峰值光譜輻射度：（A＝2898m·K）

（b＝1.2862×10-11W·m-2·K-5·m-1）

維恩位移定律：微分普朗克公式，求極大值，得到362.2.2光和物質(zhì)的相互作用自發(fā)發(fā)射：經(jīng)典電磁場理論，麥克斯韋方程，電偶極子自發(fā)輻射受激發(fā)射：經(jīng)典電動力學(xué)、電磁光學(xué)、半經(jīng)典理論、量子電動力學(xué)、量子電磁力學(xué)光譜變換：非線性光學(xué)麥克斯韋方程：經(jīng)典電磁場理論理論體系：2.2.2光和物質(zhì)的相互作用自發(fā)發(fā)射：經(jīng)典電磁場理論，麥克372.2.3光輻射波長10141013101210111010109108107106105104103102101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10波長/m長電磁振蕩無線電波微波X射線射線宇宙射線千米波米波