光電子技術課件ppt21

2023/2/31第2章光學基本知識與光場傳播規(guī)律2.1.1光的基本屬性波動性和粒子性（波粒二象性）1、光子與其他粒子的主要區(qū)別？服從的分布不一樣。2、具有相同能量和動量的光子彼此不可區(qū)分，處于同一光子態(tài)。3、光子的運動受量子力學的測不準原理限制。4、相空間體積與相格

§2.1光學基礎知識2023/2/32

光子的相干性和光子簡并度相格的空間體積===========相干體積？結論：1、相格空間體積以及一個光波模式或光子態(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、相格等價光子簡并度當體系處于熱平衡時，在n個光子中，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：2023/2/34光波模式和光量子態(tài)的等價問題光波模式：把每一個能代表場振動的分布叫做光的一種模式。場的不同本征振動狀態(tài)表示為不同的模式。每一種本征振動狀態(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。2023/2/352.1.2折射反射全反射當時，逐漸增大入射角，反射角會增大，達到直角§2.1光學基礎知識2023/2/36此時有：當時，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。2023/2/372.1.3偏振（Polarization

）振動方向和傳播方向不對稱

1.光的偏振態(tài)線偏振光：

·····光振動垂直板面光振動平行板面自然光：···§2.1光學基礎知識2023/2/38部分偏振光：

······平行板面的光振動較強垂直板面的光振動較強··§2.1光學基礎知識2023/2/39圓偏振光、橢圓偏振光

右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光§2.1光學基礎知識2023/2/3102.偏振度Ip—部分偏振光中包含的完全偏振光的強度It

—部分偏振光的總強度In

—部分偏振光中包含的自然光的強度完全偏振光(線、圓、橢圓)P=1自然光(非偏振光)P=0部分偏振光0<P<1偏振度的另一種表示：2023/2/3113.偏振片的起偏和檢偏一.起偏

起偏的原理：利用某種光學的不對稱性

偏振片微晶型分子型xyzz線柵起偏器

入射電磁波

起偏：從自然光獲得偏振光

起偏器:起偏的光學器件·非偏振光線偏振光光軸電氣石晶片··2023/2/312

（1）基于晶體雙折射原理起偏（2）布儒斯特角起偏

這是利用光在界面上的反射與吸收過程獲得偏振光的一種方式：

·······n1n2iir·自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光·····n1n2i0i0r0線偏振光··S起偏振角···常用的起偏的方式有以下幾種：2023/2/313i

=時，反射光只有S分量

—

布儒斯特角或

起偏角由

有：2023/2/314

1.兩列光波的疊加(只討論電振動)p···12r1r2P:12E0E10E20光的相干條件：頻率相同、振動方向相同、相差恒定2.1.4光的干涉2023/2/315

非相干光源I=I1

+I2—非相干疊加

完全相干光源

▲相長干涉（明）▲相消干涉（暗）

(k=0,1,2,3…)2.條紋襯比度（對比度，反襯度）2023/2/316一.雙縫干涉·pr1r2xx0xIxxDdo單色光入射d>>λ，D>>d(d10-4m,Dm)波程差：相位差：明紋

暗紋pr1r2xx0xIxxDdo2023/2/317條紋間距(1)一系列平行的明暗相間的條紋；

(3)中間級次低；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：(2)不太大時條紋等間距；某條紋級次=該條紋相應的(r2-r1)/2023/2/318二.光強公式若I1=I2

=I0

,則光強曲線I02-24-4k012-1-24I0x0x1x2x

-2x-1sin0/d-/d-2/d2/d2023/2/3192.1.5光的衍射（Diffractionoflight）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

10-3a2.定義:光在傳播過程中能繞過障礙物*S衍射屏觀察屏LL的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象2023/2/320二.惠更斯——菲涅耳原理波傳到的任何一點都是子波的波源，··pdE(p)rQdSS(波前)設初相為零n遠場衍射(2)夫瑯禾費衍射近場衍射(1)菲涅耳衍射3.分類:各子波在空間某點的相干疊加，就決定了該點波的強度。2023/2/321P處波的強度取決于波前上Q點處的強度K():方向因子2023/2/3222單縫的夫瑯禾費衍射、半波帶法一.裝置*S

ff

a透鏡L透鏡L·pAB縫平面觀察屏0δ二.半波帶法(縫寬)S:單色光源:衍射角——中央明紋(中心)

當時，可將縫分為兩個“半波帶”

A→P和B→P的光程差2023/2/323aθ1′2BA半波帶半波帶12′兩個“半波帶”上發(fā)的光在P處干涉相消形成暗紋。

當時，可將縫分成三個“半波帶”P處近似為明紋中心Baλ/2θAλ/2半波帶半波帶121′2′2023/2/324aλ/2BAθ形成暗紋。

當時,可將縫分成四個“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)位置是準確的，其余明紋中心的位置較上稍有偏離。一般情況2023/2/325三.振幅矢量法、光強公式(N很大)每個窄帶發(fā)的子波在P點振幅近似相等,設為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2023/2/326P處是多個同方向、同頻率、同振幅、初對于O點:

=0,=0E0E0……E0

=

NE0對于其他點P：

EP

<E0EPE0當N

時,N個相接的折線將變?yōu)橐粋€圓弧。相依次差一個恒量△

的簡諧振動的合成，合成的結果仍為簡諧振動。2023/2/327令有

又P點的光強REPE0△Φ△Φ2023/2/328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：2023/2/329解得:相應:(4)光強:從中央往外各次極大的光強依次為:0.0472I0,0.0165I0,0.0083I0,…∴

I次極大

<<I主極大-2.46πo2--2yy1

=tgy2=+2.46π-1.43π+1.43π····2023/2/330相對光強曲線0/a-(/a)2(/a)-2(

/a)sin0.0470.0171I/I00.0470.017四.條紋寬度1.中央明紋:λΔxI0x1x2衍射屏透鏡觀測屏Δx0

f1時，角寬度線寬度——衍射反比定律2023/2/3312.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，條紋寬度越寬當時，屏幕是一片亮I0sin2023/2/332∴幾何光學是波動光學在/a

0時的極限情形只顯出單一的明條紋單縫的幾何光學像當，時，

2023/2/3332.2.1、麥克斯韋方程組的積分形式：§2.2麥克斯韋方程組與電介質(zhì)傳導電流密度

:運流電流密度:

2023/2/334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散度方程可以從前兩個旋度方程導出，故不是獨立的。總共有三個獨立的矢量方程，五個矢量一個標量，還缺兩個矢量方程－狀態(tài)方程。2023/2/335狀態(tài)方程：

2023/2/3362.2.2電介質(zhì)1.電介質(zhì)的特性電極化強度為：

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2023/2/337

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2023/2/338§2.3

平面電磁波的傳播2.3.1電磁波動方程·

媒質(zhì)均勻,線性,各向同性。若不考慮位移電流，就是MQS場中的擴散方程。從電磁場基本方程組推導電磁波動方程討論前提：·

脫離激勵源；1）2）2023/2/339

均勻平面波條件：結論

·

Ex=Hx=0

（時變場），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·

選擇坐標軸，令Ez=0,

則Hy=0,從式(2)、（6）導出一維標量波動方程2.3.2均勻平面波2023/2/3402.2.3理想介質(zhì)中的均勻平面波1波動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2023/2/3412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，波阻抗為實數(shù)；·

相位速度的證明：相速是等相位面前進的速度·

場量的幅值與無關，是等幅波；·

反映弧度中波長的個數(shù)，又稱波數(shù)；其解2023/2/342

2.2.4導電媒質(zhì)中的均勻平面波

正弦電磁波的波動方程復數(shù)形式為——

復介電常數(shù)式中用分別替換理想介質(zhì)中的k和，當，稱為良導體，良導體中波的傳播特性：·

E,H

為減幅波（集膚效應）；圖6.3.1導電媒質(zhì)中正弦均勻平面波沿x方向的傳播

·

波阻抗為復數(shù),

超前

·理想介質(zhì)與良導體中均勻平面波傳播特性的比較。電磁波是色散波,與有關。2023/2/3432.2.5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2023/2/3441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

,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2023/2/3452.在z=0平面上,E1t=E2t,H1t=H2t,有聯(lián)立求解兩式,得到菲涅爾公式反射