光電子技術(shù)課件

光電子技術(shù)Photoelectronics

Technique8/27/20231選用教材：《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》朱京平編著，2009，科學(xué)出版社主要參考書(shū)目:《光電子技術(shù)》梅遂生主編，2008.7，國(guó)防工業(yè)出版社；《光電子技術(shù)》安毓英等主編，電子工業(yè)出版《光電技術(shù)》王慶有主編，2009.3，電子工業(yè)出版社；《激光原理技術(shù)及應(yīng)用》閻吉祥等編，2006.8，北京理工大學(xué)出版社。參考教材8/27/20232課程考核要求平時(shí)成績(jī)20%+課堂練習(xí)10％＋期末考試70%=總評(píng)100%

本課程考試為閉卷筆試。8/27/20233課程目的與任務(wù)

光電子技術(shù)是“光子技術(shù)”與“電子技術(shù)”相結(jié)合的產(chǎn)物，是繼微電子技術(shù)后興起的一門(mén)高新技術(shù)，目前已成為信息科學(xué)的重要支柱。8/27/20234

本課程著重講解光電子技術(shù)的基本概念與基本知識(shí)，主要包括激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)、激光的特性、典型激光器件和激光基本技術(shù)、光波導(dǎo)技術(shù)與光纖通信等基本應(yīng)用。目的是進(jìn)一步加深學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握和擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。8/27/20235教學(xué)基本要求

1、光的本性（主要包括光是一種橫波，光的偏振特性和相干特性，光子簡(jiǎn)并度等概念與公式描述）；2、激光產(chǎn)生的基本原理（主要包括激光器的基本結(jié)構(gòu)、激光產(chǎn)生的基本條件、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過(guò)程、光學(xué)諧振腔、激光的特性）；3、典型激光器（主要包括激光器的分類、各類激光器的特點(diǎn)）4、激光基本技術(shù)（光調(diào)制技術(shù)、晶體的電光效應(yīng)、晶體的聲光效應(yīng)、調(diào)Q技術(shù)、鎖模技術(shù)、穩(wěn)頻技術(shù)）；5、光纖和光纜（光纖的結(jié)構(gòu)和分類、光纖的傳光原理、光纖的傳輸特性）6、光纖通信（光纖通信的中繼傳輸、數(shù)字光纖通信、光源與光纖的耦合）8/27/20236學(xué)時(shí)安排章節(jié)主要內(nèi)容學(xué)時(shí)安排1光電子技術(shù)緒論12光的本性33激光產(chǎn)生的基本原理9.54典型激光器55激光基本技術(shù)166光纖和光纜97光電子技術(shù)的其它應(yīng)用4.58/27/20237緒論光子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的光電子技術(shù):主要研究光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)。8/27/20238

光學(xué)與電學(xué)表面看起來(lái)是兩個(gè)獨(dú)立的學(xué)科，實(shí)際上存在著非常密切的內(nèi)在聯(lián)系。光與電打交道的第一個(gè)回合是1860年前后麥克斯韋提出的光的電磁波動(dòng)理論，第二個(gè)回合是1905年愛(ài)因斯坦用量子論解釋光電效應(yīng)，第三個(gè)回合是1960年激光的發(fā)明。電子學(xué)在20世紀(jì)作出了巨大的貢獻(xiàn)，但由于電子自身的帶電屬性，使其進(jìn)一步發(fā)展在速度和容量上都受到限制，而光子為中性，具有巨大的優(yōu)越性。8/27/20239

光電技術(shù)的特征：光源激光化、傳輸波導(dǎo)化、手段電子化、電子學(xué)中的理論模式和處理方法光學(xué)化

光電技術(shù)與微電子技術(shù)共同構(gòu)成了信息技術(shù)的兩大重要支柱。8/27/202310光電子技術(shù)發(fā)展史年代60年代70年代80年代90年代技術(shù)成就激光器的問(wèn)世低損耗光纖的實(shí)現(xiàn)、半導(dǎo)體激光器的成熟超大功率量子阱陣列激光器的出現(xiàn)光纖無(wú)源和有源器件的出現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用為光與物質(zhì)相互作用的研究提供了一個(gè)極其有效的工具導(dǎo)致以光纖通信、光纖傳感為代表的光信息技術(shù)蓬勃發(fā)展導(dǎo)致半導(dǎo)體雙穩(wěn)態(tài)器件的發(fā)展為光纖通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了網(wǎng)絡(luò)物理層的基礎(chǔ)8/27/202311集電磁波場(chǎng)與物質(zhì)中的電子相互作用以及能量相互轉(zhuǎn)換的學(xué)科，也可以理解為“利用光的電子學(xué)”的新的綜合性交叉學(xué)科便從現(xiàn)代信息科學(xué)領(lǐng)域中脫穎而出，這就是光電子學(xué)。8/27/202312

光電子技術(shù)是研究從紅外、可見(jiàn)光、紫外光、X射線直至

射線波段范圍內(nèi)的光波電子技術(shù)，是研究運(yùn)用光子和電子的特性，通過(guò)一定媒介實(shí)現(xiàn)信息與能量轉(zhuǎn)換、傳遞、處理及應(yīng)用的學(xué)科。8/27/202313它是以光電子學(xué)為理論基礎(chǔ)，以光電子元器件為主體，綜合利用光、電、機(jī)、計(jì)算機(jī)和材料技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)具有一定功能而且實(shí)用的儀器、設(shè)備和系統(tǒng)的技術(shù)。8/27/202314同傳統(tǒng)電子技術(shù)相比，光電子技術(shù)最根本的特點(diǎn)是它的波長(zhǎng)短，也即頻率高。優(yōu)點(diǎn)：角分辨力高距離分辨力高頻帶寬、通信容量大光譜分辨力高非線性光學(xué)效應(yīng)強(qiáng)（當(dāng)光波的電場(chǎng)強(qiáng)度可以同物質(zhì)中束縛電子的庫(kù)侖場(chǎng)相比較時(shí)，可觀察到物質(zhì)與強(qiáng)相干光相互作用的一系列新的光學(xué)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為非線性光學(xué)現(xiàn)象）8/27/202315信息光電子技術(shù)與器件光電子器件光源器件光傳輸器件光控制器件光探測(cè)器件光存儲(chǔ)器件光盤(pán)調(diào)制器偏轉(zhuǎn)器光開(kāi)關(guān)光雙穩(wěn)器件光電導(dǎo)型光伏型熱伏型各種傳感器相干光源非相干光源光學(xué)元件光纖8/27/2023168/27/202317

光電子技術(shù)涉及的主要內(nèi)容包括：1激光技術(shù)及其相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)—光子產(chǎn)生、控制2波導(dǎo)技術(shù)—光子傳輸3光子檢測(cè)技術(shù)—光子探測(cè)和光譜分析4光計(jì)算與信息處理技術(shù)（光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、激光雷達(dá)、光制導(dǎo)、光陀螺）5光存儲(chǔ)技術(shù)6光子顯示技術(shù)7光子加工與光子生物技術(shù)-光子物質(zhì)相互作用8/27/202318光電子技術(shù)應(yīng)用光纖通信、傳輸光信息處理分光分析光應(yīng)用計(jì)算光空間傳輸長(zhǎng)距離、大容量、寬帶數(shù)字通信模擬通信局域網(wǎng)通信太陽(yáng)光的光纖照明光盤(pán)存儲(chǔ)器、全息照相存儲(chǔ)器光視頻盤(pán)、光音頻盤(pán)二維信息處理匹配濾波器信息處理器、激光打印機(jī)、傳真機(jī)光計(jì)算機(jī)短距離簡(jiǎn)單圖象通信光遙感、光開(kāi)關(guān)光在線檢測(cè)激光雷達(dá)、激光陀螺、激光傳感光纖傳感系統(tǒng)精密測(cè)量、全息測(cè)量、在線測(cè)量同步激光超精密分光分析大氣污染氣體分析、醫(yī)用氣體分析同位素濃度測(cè)定、同位素分析激光診斷微等離子體超快過(guò)程分析8/27/202319光纖通訊技術(shù)光導(dǎo)纖維：簡(jiǎn)稱“光纖”，是一種能利用光的全反射作用來(lái)傳導(dǎo)光線的透明度極高的玻璃纖維。8/27/202320光電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)該是同微電子學(xué)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行光電結(jié)合的信息傳輸與處理。8/27/202321光電成像技術(shù)：利用從軟X射線到亞毫米波段之間具有光學(xué)共性的電磁波段，研究以成像方式實(shí)現(xiàn)輻射信息探測(cè)、傳輸、處理與顯示的新理論、新技術(shù)、新方法和新裝置。8/27/202322X-ray紅外偏振成像的信噪比提高了30倍

光電成像技術(shù)發(fā)展要求：探測(cè)手段－－高分辨，高靈敏，高速。表征形式－－彩色，立體。信息組成－－光譜，幅度，相位，偏振，全息等。發(fā)展重點(diǎn)：

人類視覺(jué)范圍以外的信息的成像探測(cè)。滿足信息感知和信息可視化8/27/202323電子學(xué)組件探測(cè)器顯示設(shè)備校正與處理紅外探測(cè)器是高離散性和高缺陷率成像器件，必須通過(guò)成像電子學(xué)組件的校正、補(bǔ)償和處理才能完成成像。紅外成像電子學(xué)組件的優(yōu)劣對(duì)探測(cè)器性能的充分發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用，對(duì)高性能紅外電子學(xué)組件關(guān)鍵技術(shù)的研究已成為世界軍事強(qiáng)國(guó)的熱點(diǎn)。8/27/2023248/27/20237:59PM校正增強(qiáng)8/27/202325從圖中看出，自主研發(fā)的DDE技術(shù)可以極大地提高紅外熱像儀的圖像質(zhì)量。未采用數(shù)字細(xì)節(jié)增強(qiáng)（DDE）成像效果采用數(shù)字細(xì)節(jié)增強(qiáng)（DDE）成像效果8/27/2023268/27/20237:59PM紅外光學(xué)機(jī)構(gòu)探測(cè)器紅外圖像預(yù)處理非均勻性校正圖像增強(qiáng)處理顯控與人機(jī)界面紅外熱像儀整機(jī)成像電子學(xué)組件核心算法當(dāng)前，紅外熱像儀的時(shí)間穩(wěn)定和溫漂的控制、免維護(hù)和免開(kāi)箱檢測(cè)以及智能化對(duì)紅外成像電子學(xué)組件提出了更高的要求，在探測(cè)器和硬件電路系統(tǒng)達(dá)到一定水平的基礎(chǔ)上，核心軟件將是關(guān)鍵。8/27/202327*二種方式：電荷倍增CCD（可控電荷雪崩模式）APD光子計(jì)數(shù)成像（蓋革模式）

把雪崩效應(yīng)引入到光電成像系統(tǒng)中，利用碰撞電離效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的零噪聲放大增強(qiáng)。

真空

全固態(tài)研究方向和內(nèi)容----1.超高靈敏度光電成像技術(shù)8/27/202328*成像原理：光子計(jì)數(shù)成像技術(shù)采用工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管（APD）陣列作為光電感應(yīng)像元，光子經(jīng)物鏡入射到APD陣列的“像素”單元上，引起APD雪崩，APD產(chǎn)生的雪崩電流被高速驅(qū)動(dòng)控制電路在門(mén)控時(shí)間內(nèi)記錄并輸出。每一個(gè)門(mén)控周期內(nèi)，不同像元的輸出結(jié)果構(gòu)成一個(gè)由0和1組成的離散的、沒(méi)有灰度等級(jí)的二維數(shù)字矩陣。在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)多次門(mén)控周期產(chǎn)生的數(shù)字矩陣進(jìn)行時(shí)間相關(guān)、反演、增強(qiáng)和降噪處理后得到信息量豐富的高灰度等級(jí)的圖像。研究方向和內(nèi)容----1.超高靈敏度光電成像技術(shù)8/27/202329*超高探測(cè)靈敏度對(duì)波長(zhǎng)為555nm的光子流進(jìn)行模擬分析，探測(cè)靈敏度進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果如下：

取k(555)=683lm/w,d=70mm，有：

n=1時(shí)，E=5.6×10-8lux；

n=5時(shí)，E=2.8×10-7lux；

n=10時(shí)，E=5.6×10-7lux。

可以看出，APD陣列具有超高的靈敏度，最高能夠?qū)崿F(xiàn)5.6×10-8lux照度下目標(biāo)的探測(cè)和成像。研究方向和內(nèi)容----1.超高靈敏度光電成像技術(shù)8/27/202330*通過(guò)研究光子計(jì)數(shù)頻率與能量的反演機(jī)制、光子圖像的恢復(fù)與處理、主被動(dòng)復(fù)合成像與顯示技術(shù)等核心內(nèi)容，解決高靈敏度單光子探測(cè)、基于數(shù)字微鏡高分辨率采樣、光子圖像的反演與恢復(fù)、動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展以及主被動(dòng)工作方式等關(guān)鍵技術(shù)，揭示了光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)的核心機(jī)制。研究方向和內(nèi)容----1.超高靈敏度光電成像技術(shù)8/27/202331*電子學(xué)組件探測(cè)器顯示設(shè)備校正、補(bǔ)償與處理紅外探測(cè)器是高離散性和高缺陷率成像器件，必須通過(guò)成像電子學(xué)組件的校正、補(bǔ)償和處理才能完成成像。紅外成像電子學(xué)組件的優(yōu)劣對(duì)探測(cè)器性能的充分發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用，對(duì)高性能紅外電子學(xué)組件關(guān)鍵技術(shù)的研究已成為世界軍事強(qiáng)國(guó)的熱點(diǎn)。研究方向和內(nèi)容----2.高分辨率紅外熱成像技術(shù)8/27/202332*

該算法將基于場(chǎng)景非均勻性校正的收斂速度從要幾百幀縮減到十幀，非常適合于紅外搜跟系統(tǒng)。快速收斂的基于場(chǎng)景校正技術(shù)圖像對(duì)比

研究方向和內(nèi)容----2.高分辨率紅外熱成像技術(shù)8/27/202333*

針對(duì)紅外熱成像熱輻射特性所造成的紅外圖像細(xì)節(jié)模糊等固有缺陷，提出并實(shí)現(xiàn)了系列紅外圖像處理新算法，構(gòu)成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字細(xì)節(jié)增強(qiáng)（DDE）的核心技術(shù)。打破了世界少數(shù)國(guó)家對(duì)該技術(shù)的壟斷和封鎖。無(wú)DDE有DDE研究方向和內(nèi)容----2.高分辨率紅外熱成像技術(shù)8/27/202334*從圖中看出，自主研發(fā)的DDE技術(shù)可以極大地提高紅外熱像儀的圖像質(zhì)量。未采用數(shù)字細(xì)節(jié)增強(qiáng)（DDE）成像效果采用數(shù)字細(xì)節(jié)增強(qiáng)（DDE）成像效果8/27/202335紅外熱斷層掃描成像技術(shù)：主要是通過(guò)紅外熱像儀被動(dòng)地接收人體的紅外輻射信號(hào)，獲得人體皮表溫度的紅外分布圖像，進(jìn)而推知體內(nèi)熱源信息，為腫瘤等疾病診斷提供一種新的方法。

研究方向和內(nèi)容----3.新型生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)

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紅外弱小目標(biāo)遠(yuǎn)距離探測(cè)：盡可能提高紅外弱小目標(biāo)的探測(cè)距離，爭(zhēng)取在最有利時(shí)機(jī)已成為了各國(guó)研究人員都非常關(guān)注的問(wèn)題。

低空、超低空復(fù)雜背景的抑制：紅外弱小目標(biāo)遭受地物雜波和背景影響更大，探測(cè)難度也就會(huì)隨之增大。

紅外弱小目標(biāo)的可靠識(shí)別：紅外弱小目標(biāo)已沒(méi)有明確的形狀信息可言，具有強(qiáng)噪聲的紅外背景中的目標(biāo)可靠識(shí)別和精確跟蹤變得更加的困難。降低虛警率，是紅外搜跟系統(tǒng)實(shí)用的關(guān)鍵。研究方向和內(nèi)容----4.光電圖像應(yīng)用技術(shù)8/27/202337*紅外光學(xué)機(jī)構(gòu)探測(cè)器紅外圖像預(yù)處理目標(biāo)點(diǎn)跡一次處理目標(biāo)點(diǎn)跡二次處理顯控與人機(jī)界面控制與接口各種空間坐標(biāo)傳感器低噪聲驅(qū)動(dòng)放大電路核心算法移動(dòng)目標(biāo)、多目標(biāo)；可靠探測(cè)、精確跟蹤；實(shí)時(shí)性、智能化。

紅外熱像儀在旋轉(zhuǎn)掃描狀態(tài)下的目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別是一大技術(shù)難點(diǎn)。研究方向和內(nèi)容----4.光電圖像應(yīng)用技術(shù)8/27/202338紅外搜索系統(tǒng)圖像序列的搜索地面目標(biāo)關(guān)鍵幀研究方向和內(nèi)容----4.光電圖像應(yīng)用技術(shù)8/27/202339研究方向和內(nèi)容----4.光電圖像應(yīng)用技術(shù)行進(jìn)間目標(biāo)探測(cè)效果圖8/27/202340研究方向和內(nèi)容----4.光電圖像應(yīng)用技術(shù)(a)–(c)遮擋情況下我們的跟蹤技術(shù)跟蹤效果,(d)–(f)遮擋情況下常規(guī)跟蹤技術(shù)跟蹤效果

同時(shí)跟蹤兩架直升機(jī)8/27/202341研究方向和內(nèi)容----4.光電圖像應(yīng)用技術(shù)多傳感器信息融合技術(shù)

8/27/202342*突破了高速、大容量和自適應(yīng)等實(shí)時(shí)圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了DDE核心算法的實(shí)時(shí)處理，研制出帶有DDE功能的紅外成像電子學(xué)組件。該組件在非均勻性校正、動(dòng)態(tài)范圍、圖像細(xì)節(jié)和噪聲特性等方面已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。640×512國(guó)產(chǎn)焦平面探測(cè)器熱成像8/27/202343640x480Uncooled<85mK@f1.6<1.5WPower125g非制冷熱像儀*448/27/202344第一章光的本性（1）幾何光學(xué)時(shí)期：反射、折射定律以及干涉、衍射現(xiàn)象均為這一階段所發(fā)現(xiàn)，期間以牛頓為首提出的微粒說(shuō)和惠更斯為首提出的波動(dòng)說(shuō)作為對(duì)立的兩種學(xué)說(shuō)并存

（2）波動(dòng)光學(xué)時(shí)期：十九世紀(jì)，楊氏利用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)成功測(cè)定了光的波長(zhǎng)，后來(lái)菲涅耳由此補(bǔ)充了惠更斯原理即惠更斯--菲涅耳原理，不僅圓滿解釋光在均勻的各向同性介質(zhì)中的直線傳播，而且能解釋光通過(guò)障礙物時(shí)的衍射現(xiàn)象

8/27/202345（3）量子光學(xué)時(shí)期：1900年普朗克提出輻射量子論，認(rèn)為各種頻率的電磁波只能以一定的能量子方式從振子發(fā)射，能量子是不連續(xù)的，其大小只能是電磁波（或光）的頻率與普朗克常數(shù)的整數(shù)倍，即E=hν至此，人們通過(guò)光的衍射、干涉等光學(xué)現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性，而又從黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等證實(shí)了光的粒子性，從而提出了光具有波粒二像性

8/27/202346（4）現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期：從本世紀(jì)六十年代起，特別是激光問(wèn)世以后，由于光學(xué)與許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域緊密結(jié)合、相互滲透，一度沉寂的光學(xué)又煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度向前發(fā)展，已成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一塊重要前沿陣地，同時(shí)又派生出了許多嶄新的分支學(xué)科

8/27/202347現(xiàn)代光學(xué)①激光光學(xué)：激光物理、激光技術(shù)、激光應(yīng)用等。②全息光學(xué)：光學(xué)全息與信息處理等。

③晶體光學(xué)：光波在晶體中的傳播及晶體的電光效應(yīng)等。

④集成光學(xué)：集成光路理論及制造等。8/27/202348

⑤傅立葉光學(xué)：光學(xué)傅立葉分析、傅立葉變換等。

⑥激光光譜學(xué)：物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及分子運(yùn)動(dòng)規(guī)

律的分析等。⑦非線性光學(xué)：光學(xué)介質(zhì)及強(qiáng)光的相互作用。瞬態(tài)光學(xué)、光纖通信、光信息存儲(chǔ)、受激拉曼散射、受激布里淵散射、飛秒激光……8/27/202349光的波粒二象性波動(dòng)性：傳播過(guò)程具有頻率、波長(zhǎng)、偏振粒子性：光與物質(zhì)相互作用具有能量、動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量光波是電磁波振動(dòng)的電場(chǎng)；振動(dòng)的磁場(chǎng)光與大多數(shù)探測(cè)器作用時(shí)，主要是電矢量起作用，故把電矢量稱作光矢量l8/27/202350宇宙射線

射線X射線紫外線可見(jiàn)光紅外線微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波長(zhǎng)波無(wú)線電波電磁波譜§1.1光的波動(dòng)性

8/27/202351電磁波譜頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系:----真空中的光速8/27/202352光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系(1)波長(zhǎng):振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。(2)光速(3)頻率：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)(4)三者的關(guān)系在真空中

各種介質(zhì)中傳播時(shí)，保持其原有頻率不變，而速度各不相同

8/27/202353頻段（波長(zhǎng)）劃分

頻率范圍 名稱 典型應(yīng)用(kHz)3–30甚低頻(VLF)遠(yuǎn)程導(dǎo)航、水下通信 (10-100km) 聲納30–300 低頻(LF) 導(dǎo)航、水下通信 (1-10km) 無(wú)線電信標(biāo)300–3000中頻(MF)廣播、海事通信、 (100-1000m) 測(cè)向、遇險(xiǎn)求救、 海岸警衛(wèi)8/27/202354

頻率范圍 名稱 典型應(yīng)用(MHz)3–30高頻(HF) 遠(yuǎn)程廣播、電報(bào)、電話、飛機(jī) (10-100m) 與船只間通信、船－岸通信 業(yè)余無(wú)線電30–300 甚高頻(VHF)電視、調(diào)頻廣播、陸地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽車、 警察、導(dǎo)航、飛機(jī)通信300–3000特高頻(UHF)電視、蜂窩網(wǎng)、微波鏈路、 (分米波） 無(wú)線電探空儀、導(dǎo)航、衛(wèi)星 通信、GPS、監(jiān)視雷達(dá)、無(wú)線電高度計(jì)頻段（波長(zhǎng)）劃分8/27/202355

頻率范圍 名稱 典型應(yīng)用(GHz)

3–30超高頻(HF) 衛(wèi)星通信、無(wú)線電高度計(jì)、（厘米波）微波鏈路、機(jī)載雷達(dá)、氣象 雷達(dá)、公用陸地移動(dòng)通信

30–300 極高頻(VHF)鐵路業(yè)務(wù)、雷達(dá)著陸系統(tǒng)、（毫米波）實(shí)驗(yàn)用300–3000亞毫米波實(shí)驗(yàn)用 （0.1–1mm）頻段（波長(zhǎng)）劃分8/27/202356

頻率范圍 名稱 典型應(yīng)用(THz)43–430 紅外線光通信系統(tǒng) (7–0.7

m)430–750可見(jiàn)光 光通信系統(tǒng) (0.7–0.4

m)750–3000 紫外線 光通信系統(tǒng) (0.4–0.1

m)注：kHz=103Hz,MHz=106Hz,GHz=109Hz, THz=1012Hz,mm=10-3m,

m=10-6m頻段（波長(zhǎng)）劃分8/27/2023574000?紫7600?紅光學(xué)輻射是波長(zhǎng)10nm～1mm之間的電磁輻射?？梢?jiàn)光是能引起人的視覺(jué)的那部分電磁波。發(fā)射光波的物體稱為光源?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)范圍約為400～760nm400——450——500——550——600——650——760nm紫藍(lán)綠黃橙紅結(jié)論：光是某一波段的電磁波8/27/202358光波的傳播過(guò)程EBk8/27/202359因而，光波是一種橫波。且光波中起光作用的是電場(chǎng)矢量，所以電場(chǎng)矢量又稱之為光矢量。8/27/202360機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別:只有狹縫的取向與橫波的振動(dòng)方向一致，橫波才能通過(guò)，而對(duì)縱波沒(méi)有影響。機(jī)械波穿過(guò)狹縫定義：振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性稱為偏振性。說(shuō)明：只有橫波才具有偏振現(xiàn)象，偏振現(xiàn)象是橫波區(qū)別于縱波的最明顯的特征。光的偏振特性（橫波特有的屬性）

8/27/202361光的偏振現(xiàn)象：光波電矢量振動(dòng)的空間分布對(duì)于光的傳播方向失去對(duì)稱性的現(xiàn)象。

8/27/202362形象說(shuō)明偏振片的原理通光方向腰橫別扁擔(dān)進(jìn)不了城門(mén)8/27/202363線偏振光（偏振光/完全偏振光/平面偏振光）E播傳方向振動(dòng)面線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解EEyEx

yx

·面對(duì)光的傳播方向看定義：光振動(dòng)只沿某一固定方向的光.8/27/202364符號(hào)表示振動(dòng)面8/27/202365自然光（非偏振光）

定義：一般光源發(fā)出的光中，包含著各個(gè)方向的光矢量，并在所有可能的方向上的振幅都相等（軸對(duì)稱）這樣的光叫自然光.

自然光以兩互相垂直的互為獨(dú)立的（無(wú)確定的相位關(guān)系）振幅相等的光振動(dòng)表示,并各具有一半的振動(dòng)能量.符號(hào)表示沒(méi)有優(yōu)勢(shì)方向自然光的分解8/27/2023668/27/202367普通光源是光的自發(fā)輻射。特點(diǎn)：多波長(zhǎng)、任意方向、不相干。普通光源向四面八方輻射,光線分散到4p球面度的立體角內(nèi).8/27/202368部分偏振光振動(dòng)各個(gè)方向都有，但是方向的振幅大小不同。可以看作是偏振光與自然光的混合。定義：某一方向的光振動(dòng)比與之垂直方向上的光振動(dòng)占優(yōu)勢(shì)的光為部分偏振光.符號(hào)表示8/27/202369橢圓偏振光和圓偏振光圓偏振光線偏光橢圓偏振光在迎光矢量圖上，光矢量端點(diǎn)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的稱為左旋偏振光；沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的稱為右旋偏振光。定義：光矢量末端的運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓或圓。8/27/202370偏振度1、定義：2、波的偏振度非偏振波：P=0，偏振度最??；線偏振波（完全偏振波，p態(tài)波）：P=1，偏振度最大；部分偏振波：0<P<1。8/27/202371光源1.

光源及光致物質(zhì)冷光源：利用化學(xué)能、電能或光能激發(fā)；熱光源：利用熱能激發(fā)；磷光物質(zhì)：光源移去后仍能發(fā)光；熒光物質(zhì)：光源移去后，停止發(fā)光。2.普通光源的發(fā)光機(jī)理（非激光光源）處于激發(fā)態(tài)的原子（或分子）的自發(fā)輻射原子發(fā)射的光波是一段頻率一定、振動(dòng)方向一定、有限長(zhǎng)的光波（通常稱為光波列）8/27/202372

=(E2-E1)/hE1E2能級(jí)躍遷輻射波列波列長(zhǎng)L=

c普通光源中，各個(gè)原子的激發(fā)和輻射參差不齊，是一種隨機(jī)過(guò)程獨(dú)立(不同原子發(fā)的光)·獨(dú)立(同一原子先后發(fā)的光)8/27/202373單色光具有單一頻率的光波稱為單色光。任何光源所發(fā)出的光波都有一定的頻率（或波長(zhǎng)范圍，在此范圍內(nèi)，各種頻率（或波長(zhǎng)）所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度是不同的。波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍越窄，光的單色性越好譜線寬度：通常用強(qiáng)度下降到的兩點(diǎn)之間的波長(zhǎng)范圍譜線寬度是標(biāo)志譜線單色性好壞的物理量8/27/202374相干光

光的非相干疊加其中所以或

1

2

E0E10E208/27/202375

相干光的條件綜上所述：我們把能產(chǎn)生相干疊加的兩束光稱為相干光，相干疊加必須滿足振動(dòng)頻率相同，振動(dòng)方向相同，相位差恒定的條件。干涉相長(zhǎng)干涉相消若8/27/202376光波的干涉特性

當(dāng)具有相同頻率和振動(dòng)方向、具有相同相位或固定相位差的光波相遇時(shí)，在相遇的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。光波的干涉可以這樣來(lái)描述：兩列光波在空間相遇，疊加波形成有規(guī)律的光強(qiáng)分布的現(xiàn)象。

8/27/202377楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)p）8/27/202378楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)裝置原理8/27/202379光的衍射現(xiàn)象

光在傳播時(shí)會(huì)繞過(guò)障礙物，或者在障礙物后的幾何陰影區(qū)光波的強(qiáng)度會(huì)有起伏，這便是光的衍射現(xiàn)象至于為什么在平時(shí)日常生活中少見(jiàn)衍射現(xiàn)象，這是因?yàn)橹挥挟?dāng)障礙物尺寸同光波長(zhǎng)相近時(shí)，才會(huì)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。

8/27/202380單縫衍射圖樣：明暗相間且不等距條紋（中央亮紋）8/27/202381§1.2電磁波譜光波是電磁波，x射線、γ射線也是電磁波，只是它們的頻率波長(zhǎng)范圍相差很大。如果將它們按照頻率或波長(zhǎng)的次序排列成譜的形狀，則稱其為電磁波譜。通常所說(shuō)的光學(xué)區(qū)域包括紫外、可見(jiàn)光、紅外，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍是390納米到760納米這一很窄的范圍以內(nèi)，對(duì)應(yīng)的頻率是7.5×1014～4.1×1014Hz。8/27/202382根據(jù)麥克斯韋理論，電磁波在真空中的傳播速度，c只和真空中的介電常數(shù)ε0和磁導(dǎo)率μ0有關(guān)，是一個(gè)普適常數(shù)，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍以內(nèi)，這個(gè)常數(shù)c與已測(cè)的光速相等，于是麥克斯韋得出這樣一個(gè)結(jié)論：光是某一波段的電磁波，c就是光在真空中的傳播速度。

真空中的光速8/27/202383在介質(zhì)中電磁波的傳播速度v為真空中c的倍式中εr為介質(zhì)的介電常數(shù)，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，另外光在透明介質(zhì)里的傳播速度v小于真空中的速度c。c與v的比值是該透明介質(zhì)的折射率，即n=c/v

8/27/202384相干光波：頻率相同、振動(dòng)方向一致、相位差恒定的兩束光波。相干性相干長(zhǎng)度：沿傳播方向的相干長(zhǎng)度。相干面積：垂直于光傳播方向截面上的相干面積。相干體積：空間體積內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯的相干性，則為相干體積。§1.3光的相干性8/27/2023851．時(shí)間相干性:波場(chǎng)中同一點(diǎn)不同時(shí)刻光波場(chǎng)特性的相關(guān)性。此相干性來(lái)源于原子發(fā)光的間斷性。

光源時(shí)間相干性的好壞決定于其單色性，因?yàn)楣庠吹膯紊潭葲Q定干涉條紋的最大光程差，即所說(shuō)的相干長(zhǎng)度。

：兩列波能發(fā)生干涉的最大光程差，也就是波列長(zhǎng)度。越大，相干性越好光學(xué)中，原子發(fā)光的持續(xù)時(shí)間，稱為相干時(shí)間，相應(yīng)波列的長(zhǎng)度L稱為相干長(zhǎng)度8/27/202386p）干涉的必要條件：兩列波在相遇點(diǎn)的光程差應(yīng)小于波列的長(zhǎng)度。8/27/202387波列長(zhǎng)度與光源譜線寬度成反比，即光源的單色性好，光源的譜線寬度就小，波列長(zhǎng)度就長(zhǎng)。單色性越好，相干性就越好8/27/202388相干長(zhǎng)度：?jiǎn)紊栽胶?，相干長(zhǎng)度越長(zhǎng)普通光源——幾厘米激光可達(dá)——105千米8/27/202389衡量光波場(chǎng)時(shí)間相干性的好壞的是的長(zhǎng)度。稱為相干時(shí)間，它是光通過(guò)相干長(zhǎng)度所需要的時(shí)間。

8/27/202390描述時(shí)間相干性的等效物理量：①相干時(shí)間：②相干長(zhǎng)度：③譜線寬度：8/27/2023912．空間相干性:波場(chǎng)中不同點(diǎn)在同一時(shí)刻光波場(chǎng)特性的相關(guān)性。此相干性來(lái)源于光源中不同原子發(fā)光的獨(dú)立性。實(shí)際上，光源總是有一定寬度的，我們可以把它看成是很多線光源構(gòu)成的，這些間隔很小的線光源在屏幕上各自形成靠得很近的干涉花樣，這些干涉花樣的非相干疊加，使總的干涉花樣模糊不清，甚至?xí)垢缮鏃l紋的可見(jiàn)度降為零。8/27/202392實(shí)驗(yàn)表明，在雙縫屏上存在一個(gè)以O(shè)點(diǎn)為對(duì)稱中心的面積Ac，只要s1和s2在Ac之外，就不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，或者說(shuō)干涉條紋的可見(jiàn)度為零。這一面積叫做相干面積Ac。Ac愈大，則該光的空間相干性愈好。

aΔθ≤λ

物理意義:光源的線度不能大于!8/27/202393

稱為臨界寬度。當(dāng)光源的線度大于或等于該臨界寬度時(shí)，干涉條紋的可見(jiàn)度為零。

Δθ是兩縫間距對(duì)光源的張角，可以看出，光源愈小，則允許具有空間相干性的張角Δθ愈大。若雙縫之間的距離等于或大于時(shí)，觀察不到干涉條紋。8/27/202394說(shuō)明：r0、固定時(shí)，越大，則相干面積Ac越小。則相干面積為：則光源面積為：物理意義：要使傳播方向（波矢）限于張角的光波具有明顯的相干性，則光源面積必須小于，此即為光源的相干面積。8/27/202395物理意義:要使傳播方向限于以內(nèi)并有頻帶寬度的光波明顯相干，則光源的體積應(yīng)限制在以內(nèi)。屬于同一光子態(tài)的光子是相干的，應(yīng)包含在相干體積內(nèi)，相格空間體積等于光源的相干體積。則光源的相干體積滿足：在相干體積內(nèi)的光子具有相同的狀態(tài)，即處于同一光子態(tài)，屬于同一光子態(tài)的光子是相干的。8/27/202396結(jié)論相格空間體積