第二章光纖通信的物理學(xué)知識

思索天空為什么是藍(lán)色的?夕陽和日出為什么是紅色?物體為什么顯示不同的顏色?彩虹是怎么形成的?透過兩支鉛筆的縫隙看日光燈看到的彩色條紋形成緣由?2.2光的反射、折射、全反射和雙折射光可以在各種不同的物質(zhì)中傳播，光從一種媒質(zhì)向另一種媒質(zhì)傳播時，將會發(fā)生反射、折射、全反射和雙折射等現(xiàn)象。光的反射定律：入射光線、反射光線和垂直界面的法線三者在同一平面內(nèi)；入射角等于反射角；入射光線和反射光線分居法線的兩側(cè)。光的折射定律：入射光線和折射光線分別在法線的兩側(cè)；入射角和折射角的正弦之比等于光在該兩種媒質(zhì)中傳播速度之比。假如光是從真空向某一媒質(zhì)進(jìn)行傳播，那么光在真空中的傳播速度與光在該媒質(zhì)的傳播速度之比稱為該媒質(zhì)的確定折射率光的全反射：假如光是從光密媒質(zhì)向光疏媒質(zhì)傳播，折射光線將遠(yuǎn)離法線，反之光疏媒質(zhì)向光密媒質(zhì)傳播時，折射光線將向法線靠近，而遠(yuǎn)離法線的程度則與入射角的大小有關(guān)。試驗(yàn)證明，入射角越大，則折射角亦越大，折射光線越遠(yuǎn)離法線。當(dāng)入射角大到某一值時，折射光線就不在光疏媒質(zhì)內(nèi)傳播了，而是沿光密光疏兩媒質(zhì)的交界面?zhèn)鞑?，這時的入射角叫臨界角。假如入射角大過臨界角，那末入射光線一點(diǎn)也不進(jìn)入光疏媒質(zhì)，而是全部又反射回原光密媒質(zhì)，這種現(xiàn)象叫全反射。全反射發(fā)生的條件?1.光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)2.入射角大于臨界角臨界角的計(jì)算公式?光疏介質(zhì)折射率n1,光密介質(zhì)折射率n2,臨界角的大小?光纖通信中,全反射發(fā)生在纖芯和包層的界面上2.3波動光學(xué)以光的直線傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)，略去了光的波動性，屬幾何光學(xué)范疇．波動光學(xué)，它的主要特點(diǎn)是將光視為電磁波，用波動理論來探討光在傳播過程中所遵循的客觀規(guī)律．干涉、衍射、偏振是波動過程所特有的三種現(xiàn)象，2.3.1光的電磁理論關(guān)于光的本性的一種學(xué)說。把光看作是以光頻振蕩的電磁波，借助于麥克斯韋的電磁理論來說明光的傳播、干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象以及光和物質(zhì)相互作用的規(guī)律。人眼所能感受到的光稱為可見光?？梢姽馐枪獠ㄖ泻苄〉囊粋€成員，其實(shí)質(zhì)是一種電磁波。假如把電磁波依據(jù)其波長或頻率有依次地排列起來，就得到電磁波譜。人眼對各種波長的可見光有不同的感受靈敏度。為人眼最敏感的黃、綠色光波是橫波，在光波中，產(chǎn)生膠片感光或眼睛生理作用的是電場強(qiáng)度矢量E，因此在光學(xué)中稱之為光矢量，電量的振動為光振動，并且用E來表述光波。2.3.2光的干涉何謂光的干涉？光的干涉產(chǎn)生的條件？一般光能否產(chǎn)生光的干涉？為什么？光的干涉規(guī)律是什么?2.3.2光的干涉兩個光源所發(fā)出的光波在空間疊加的結(jié)果，一般是強(qiáng)度勻整相加的。但是在確定條件下，兩個光波在空間的疊加會形成明暗不均的現(xiàn)象。假如這兩個光波是白色自然光，則疊加區(qū)域會產(chǎn)生五彩繽紛的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象表明白光的一種重要波動特性，即干涉特性。光的干涉條件相干光：頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。相干光的獲得：分波陣面法和分振幅法

相干光源：激光光的干涉規(guī)律

折射率n與光波在該媒質(zhì)中傳播的幾何路程r的乘積nr叫做光程。兩束相干光在不同媒質(zhì)中傳播時，對干涉加強(qiáng)(亮紋)和減弱(暗紋)條件起確定作用是這兩束光的光程差。兩束光總的光程差δ滿足如下規(guī)律：入射光滿足δ=±kλk=1,2,…，干涉加強(qiáng)。δ=±（k+1/2）2k=1,2,…，干涉減弱。(二)透鏡不產(chǎn)生附加的光程差光經(jīng)過透鏡折射后，變更了原來的傳播方向。但是在視察干涉現(xiàn)象時，運(yùn)用透鏡并不會引起附加的光程差。具有相同光程的緣由可簡潔地理解為：幾何路程長的光線在透鏡中的行程短；幾何路程短的光線在透鏡中的行程長兒何路程短的光線在遠(yuǎn)貿(mào)中的行程長。真空中的折射率為1，其他光學(xué)材料的折射率均大于1，因此折算成光程是相等的。

(三)由半波損失引起的附加光程差折射率較大的媒質(zhì)稱為光密媒質(zhì)；折射率較小的稱為光疏媒質(zhì)。當(dāng)光線由光疏媒質(zhì)射向光密媒質(zhì)，并在兩媒質(zhì)的分界面反射時，反射回光疏媒質(zhì)的反射光線，其相位突變，即入射光波和反射光波的相位相反。因?yàn)閾p失了∏相位就相當(dāng)于損失了半個波長，所以，這種現(xiàn)實(shí)稱為反射光產(chǎn)生半波損失。與上述相反的過程無半波損失。例：空氣中的水平肥皂厚度d＝0.32um，折射率n2＝1.33，假如白光照射時，肥皂膜呈現(xiàn)什么色調(diào)？課后習(xí)題2.32.3.3光的衍射在確定條件下，光能夠繞過障礙物變更傳播方向的現(xiàn)象稱為衍射?；莞埂颇鶢栐砜梢赃@樣表述：從同一波陣面上各點(diǎn)所發(fā)出的子波，經(jīng)傳播而在空間某點(diǎn)相遇時，也可以相互量加而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，半波帶分析法:N=asinФ/λ/2當(dāng)N為奇數(shù)時,為明點(diǎn);當(dāng)N為偶數(shù)時,為干涉相消,為暗點(diǎn).單縫夫瑯和費(fèi)衍射條紋的明暗條件asinФ=2K.λ/2K=1，2，3……暗紋asinФ=（2K+1）λ/2K=1，2，3……明紋Ф=0中心明紋單縫衍射單縫衍射：菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射。單縫衍射條紋特征：單縫衍射條紋是一系列平行于狹縫的明暗相間的直條紋，它們對稱地分布于中心明紋兩側(cè)；明紋亮度不勻整，中心明紋最亮，其他各明紋的亮度將隨著級數(shù)的增高而逐步減弱衍射與波長，縫寬的關(guān)系a確定，同一級條紋,λ↑,Ф↑,反之λ↓，Ф↓,用白光作衍射光，中心明紋為白色，其他條紋為彩色；Λ確定，同一級條紋，a↑，Ф↓，縫越細(xì)，條紋越明顯，最大衍射角90度a↑，Ф↓縫寬到確定程度，無衍射現(xiàn)象，傳播光線為直線傳播光柵衍射為了提高測量精度，必需供應(yīng)一種又亮又窄、間隔又很大的明條紋。利用衍射光柵可以做到這一點(diǎn)。衍射光柵分為：反射光柵和透射光柵，它是近代物理試驗(yàn)中時常用到的一種重要光學(xué)元件，是一種分光裝置主要用來形成光譜。衍射光柵也常用于光纖通信。

1.光柵衍射光柵—大量等寬等間距的平行狹縫(或反射面)

構(gòu)成的光學(xué)元件。d反射光柵d透射光柵a是透光（或反光）部分的寬度d=a+b

光柵常量b是不透光(或不反光)部分的寬度

光柵常數(shù)

種類：1.1基本概念光柵的衍射圖樣設(shè)光柵的每個縫寬均為a，在夫瑯禾費(fèi)衍射下，每個縫的衍射圖樣位置是相重疊的。不考慮衍射時,多縫干涉的光強(qiáng)分布圖：sinN2sin2N/sin204-8-48(/d)多光束干涉光強(qiáng)曲線光柵衍射λθad

f透鏡Iθθ衍射光相干疊加衍射的影響：

多縫干涉條紋各級主極大的強(qiáng)度不再相等，而是受到了衍射的調(diào)制。主極大的位置沒有變更。光柵衍射sin0I單I0單-2-112(/a)單縫衍射光強(qiáng)曲線IN2I0單048-4-8sin(/d)單縫衍射輪廓線光柵衍射光強(qiáng)曲線sinN2sin2N/sin204-8-48(/d)多光束干涉光強(qiáng)曲線光柵衍射2.4光的偏振光波是一種橫波，即電場強(qiáng)度矢量、磁場強(qiáng)度矢量均垂直于波速矢量。光波的這一特性不能依據(jù)干涉與衍射試驗(yàn)推出，然而它卻是光的波動性的另一重要表現(xiàn)。自然光為非偏振光；假如接受某種裝置只允許一個方向的光振動通過，則可得到線偏振光。線偏振光也稱為完全偏振光。假如接受的裝置能減弱某個方向上的光振動，則可得到部分煽振光。部分偏振光也稱為橢圓偏振光§1光的偏振狀態(tài)一.線偏振光：光矢量只沿一個固定的方向振動E播傳方向振動面·面對光的傳播方向看線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解：EEyEx

yx線偏振光的表示法：·····光振動垂直板面光振動平行板面二.自然光沒有優(yōu)勢方向自然光的分解一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。自然光的表示法：···三、部分偏振光:某一方向的振動比其它方向占優(yōu)勢部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的、不相干的線偏振光。部分偏振光的表示法：······平行板面光振動較強(qiáng)垂直板面光振動較強(qiáng)··四.偏振度IM

—在某一方向上的偏振光強(qiáng)度最大值In

—與之垂直方向的偏振光強(qiáng)度最小值

平面偏振光

P=1自然光(非偏振光)

P=0部分偏振光

0<P<1§2偏振片的起偏和檢偏，馬呂斯定律一.起偏起偏的原理：利用某種光學(xué)的不對稱性偏振片：猛烈吸取某一方向的光振動，而對與之垂直的另一方向的光振動幾乎不吸取利用偏振片可起偏，亦可檢偏。起偏：從自然光獲得偏振光起偏器:起偏的光學(xué)器件自然光I0線偏振光IP偏振化方向(透振方向)二.馬呂斯定律I0IPPE0E=E0cos偏振片的起偏馬呂斯定律（1809）——消光···三.檢偏用偏振器件分析、檢驗(yàn)光的偏振態(tài)I?P待檢光思索：

I不變？是什么光

I變，有消光？是什么光

I變，無消光？是什么光四、布儒斯特定律一.反射和折射時間的偏振i=i0時，反射光只有S重量，i0—布儒斯特角或起偏角。并且有：i0+r0=90O----布儒斯特定律(1812年)·······n1n2iir·反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光·····n1n2i0i0r0偏振光··S起偏振角···依據(jù)折射定律：最終推得：布儒斯特定律1812年，布儒斯特在試驗(yàn)中發(fā)覺：反射光的偏振化程度與入射角有關(guān)。當(dāng)入射角自然光以起偏振角入射時，其反射光和折射光的傳播方向相互垂直，且反射光成為線偏振光。計(jì)算：布儒斯特角

若n1

=1.00(空氣)，n2=1.50(玻璃)，則：二.玻璃片堆起偏和檢偏1.起偏：當(dāng)i=i0時自然光從空氣→玻璃············i0(接近線偏振光)··················2.檢偏：玻璃片堆布儒斯特角的計(jì)算§4光在晶體中的傳播,雙折射···

方解石oeeo一.雙折射的概念：1.雙折射n1n2irore(各向異性媒質(zhì))自然光o光e光2.尋常光和非尋常光，它們都是平面偏振光。o光:遵從折射定律e光:一般不遵從折射定律e光折射線也不確定在入射面內(nèi)。···IIeI0偏振光入射：

自然光入射：

3.晶體的光軸當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。例如，方解石晶體(冰洲石)AB光軸102°光軸是一特殊的方向,凡平行于此方向的直線均為光軸。單軸晶體：有一個光軸的晶體。雙軸晶體：有兩個光軸的晶體。2.4光的吸取色散和散射光的吸取、色散、散射都是光波與物質(zhì)的相互作用過程。1光的吸取(1)吸取的線性規(guī)律光的吸取是指光波通過介質(zhì)后，光強(qiáng)減弱現(xiàn)象。吸取的線性規(guī)律為：I=I0e-αz(2)光的吸取與波長的關(guān)系物質(zhì)對某些波長的光具有選擇吸取性在無線通信中，就要考慮大氣對電磁波的吸取問題。光纖對于某種波長的光波也具有猛烈的選擇吸取性(3)吸取光譜光的吸取和光波的波長有關(guān)，吸取隨光波波長的變更就構(gòu)成吸取光譜。思索：為什么物體顯示顏色？2色散(1)色散的概念色散是介質(zhì)的折射率n隨光波波長λ變更的現(xiàn)象(2)正常色散介質(zhì)的折射率n是隨波長λ的增加而減小的色散叫正常色散。(3)反常色散反常色散是介質(zhì)的折射率n隨著波長λ的增加而增加，與正常色散正好相反。3散射(1)光的散射當(dāng)光通過不勻整介質(zhì)時，會偏離原來的方向而向四周傳播，這種現(xiàn)象稱為光的散射。(2)線性散射散射光的頻率等于入射光的頻率，散射光中沒有新頻率的光產(chǎn)生，這類散射稱為線性散射。(3)非線性散射散射光中除了入射光的頻率或譜線之外，還有新頻率的光或新譜線產(chǎn)生，這類散射稱為非線性散射。拉曼散射和布里淵散都屬于非線性散射。2.5激光原理Laser:Light

Amplification

byStimulatedEmissionofRadiationlight:光amplification:放大、增加stimulate：刺激、激發(fā)emission：放射、放射

radiation：輻射2.5激光原理激光Laser（Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）光的受激輻射放大。1960年梅曼研制了第一臺激光器——紅寶石激光器無輻射躍遷和輻射躍遷光與物質(zhì)相互作用的三個主要過程：自發(fā)輻射、受激吸取、受激輻射激光輻射躍遷：受激吸??；自發(fā)輻射；受激輻射2.5.1激光的特性(Laseroutput-beamproperties)單色性：指光強(qiáng)按頻率的分布狀況，激光的頻譜寬度特別窄相干性：時間相干性和空間相干性都很好方向性：一般光向四面八方輻射，而激光基本沿某始終線傳播，激光束的發(fā)散角很小高亮度：在單位面積、單位立體角內(nèi)的輸出功率特殊大2.5.2激光的形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布要獲得光放大，就必需有高能級粒子數(shù)N2大于低能級粒子數(shù)N1的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。

要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必需具備下述條件：要有激活介質(zhì)或增益介質(zhì)。其次，要有激勵或稱為泵浦。激光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光原理就是要探討光的受激輻射是如何在激光器內(nèi)產(chǎn)生并占主導(dǎo)地位而抑制自發(fā)輻射！激光器的組成(Essentialelementsofalaser)激光器基本組成包括：工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦系統(tǒng)三大部分(Alasermedium,suitableopticalfeedbackelements,andapumpingprocess.)1、工作物質(zhì)是激光器的核心諧振腔的作用：模式選擇、供應(yīng)軸向光波模的反饋諧振腔是激光器的重要部件，不僅是形成激光振蕩的必要條件，而且還對輸出的模式、功率、光束發(fā)散角等均有很大影響諧振腔由全反射鏡和部分反射鏡（輸出反射鏡）組成，激光由部分反射鏡輸出。依據(jù)實(shí)際狀況選用穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔或臨界穩(wěn)定腔2、諧振腔泵浦系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)供應(yīng)外界能量(Apumpingprocessisrequiredtoexciteatomsinthelasermediumintotheirhigherquantum-mechanicalenergylevels.)Practicallasermaterialscanbepumpedinmanyways.光激勵---用光照射工作物質(zhì)，工作物質(zhì)吸取光能后產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可接受高效率、高強(qiáng)度的發(fā)光燈、太陽能和激光放電激勵---在放電過程中，氣體分子（或原子，離子）與被電場加速的電子碰撞，吸取電子能量后躍遷到高能級，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3、泵浦系統(tǒng)—粒子搬遷的動力熱能激勵---用高溫加熱方式使高能級上氣體粒子數(shù)增加，然后突然降低氣溫度，因高、低能級的熱馳豫時間不同，可使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)化學(xué)能激勵——利用化學(xué)應(yīng)過程中釋放的能量來激勵粒子，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，一般還需接受確定的引發(fā)措施，如接受光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等方式核能激勵——用核裂變反應(yīng)放出的高能粒子、放射線或裂變碎片等來激勵工作物質(zhì)，也可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)工作物質(zhì)---可以分為氣體、固體、半導(dǎo)體、液體、化學(xué)、自由電子激光器工作方式-