《光電子技術(shù)（第5版）》全套教學(xué)課件

光電子技術(shù)01第1章光輻射與發(fā)光光源102第1章光輻射與發(fā)光光源203第1章光輻射與發(fā)光光源304第2章

光輻射的傳播105第2章

光輻射的傳播206第2章

光輻射的傳播307第2章

光輻射的傳播408第3章

光束的調(diào)制和掃描109第3章

光束的調(diào)制和掃描210第3章

光束的調(diào)制和掃描311第3章

光束的調(diào)制和掃描412第4章

光輻射的探測技術(shù)13第5章

光電成像系統(tǒng)14第6章

顯示技術(shù)全套可編輯PPT課件

光輻射、發(fā)光源與光傳播基本定律第一章全套可編輯PPT課件

本章內(nèi)容1.1電磁波譜與光輻射1.2輻度學(xué)與光度學(xué)基本知識1.3熱輻射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光頻電磁波的基本理論和定律1.1.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜橫波特性電場、磁場、傳播方向構(gòu)成右手螺旋系

偏振特性電場、磁場分別在各自平面內(nèi)振動和作周期性變化，而且相位相同

和的量值關(guān)系

1.1.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜電磁波段的詳細(xì)劃分及用途頻率與波長的關(guān)系:vλ

=c----真空中的光速

1.1.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜1、電磁輻射（電磁波）：以巨大速度通過空間、不需要任何物質(zhì)作為傳播媒介的一種能量

2、電磁輻射的性質(zhì)：具有波、粒二向性

波動性：粒子性：1.1.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜3．電磁波譜：電磁輻射按波長順序排列γ射線→X射線→紫外光→可見光→紅外光→微波→無線電波

波長短長1.1.2光輻射(1)光源（發(fā)光的客體）

光源的種類按獲得方式：天然光源、人造光源

按光譜成份：單色光源、復(fù)色光源、白光光源

按相干性：相干光源、非相干光源

按幾何線度：點光源、擴展光源（線光源、面光源）

(2)光輻射（發(fā)光過程）

熱輻射（溫度輻射）：具有一定溫度的物體所產(chǎn)生的一種自發(fā)輻射

非熱輻射：場致發(fā)光、熒光、磷光、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光等發(fā)光過程

說明：熱輻射具有普遍性，但實際發(fā)光過程可能是多種發(fā)光過程的并存1.1.2光輻射（3）光波場的光譜范圍

電磁輻射的波長范圍：10-2納米（nm）～公里（km）

光輻射的波長范圍：亞納米級的X射線～微米級的遠(yuǎn)紅外輻射，其中：

X射線：亞納米～納米

紫外線：近（200～390納米）、遠(yuǎn)（1～200納米）

可見光：390～760納米

紫

藍(lán)

青

綠

黃

橙

紅

紅外線：近（0.76～1微米）、中（1～10微米）、遠(yuǎn)（>10微米）

1.1.2光輻射(4)光輻射的光譜類型

單色光：只有單一波長成分的光

非單色光：具有多種波長成分的光

復(fù)色光：由幾種單色光成分構(gòu)成的非單色光

白光：由各種可見光波長成分構(gòu)成的非單色光光譜：非單色光的波長（頻率）分布

線狀光譜：由分立波長（頻率）成分組成

連續(xù)光譜：由連續(xù)波長（頻率）成分組成

說明：熱輻射光譜（熱光源）——連續(xù)光譜

原子光譜或氣體放電光譜——線狀光譜

線狀光譜的特點：每個波長成分反映了發(fā)光成分的一條特征譜線

1.1.2光輻射譜線寬度：每條譜線的強度分布具有一定的波長（頻率）范圍，波長（頻率）越小，表示光的單色性越好。

準(zhǔn)單色光：實際中并不存在理想的單色光，通常所謂的單色光，只是當(dāng)譜線寬度很小時的窄帶光。

鹵素?zé)舭l(fā)光光譜紅寶石激光光譜譜1.1.2光輻射本章內(nèi)容1.1電磁波譜與光輻射1.2輻度學(xué)與光度學(xué)基本知識1.3熱輻射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光頻電磁波的基本理論和定律1.2輻度學(xué)與光度學(xué)基本知識輻射度學(xué)(Radiometry)：研究各種電磁輻射強弱的一門科學(xué)

光度學(xué)(Photometry)：研究可見光輻射強弱的學(xué)科—輻射度學(xué)的一部分輻射度單位體系:輻通量（又稱為輻射功率）或者輻射能是基本量，是只與輻射客體有關(guān)的量。其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）。輻射度學(xué)適用于整個電磁波段。光度單位體系:是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強度，其基本單位是坎德拉。光度學(xué)只適用于可見光波段。物理概念不同，所用符號一一對應(yīng)1.2.1輻度量①輻射能Qe

②輻射通量

e

③輻射出射度Me

④輻射強度Ie

⑤輻射亮度Le

⑥輻射照度Ee

⑦單色輻射度量

Xe

1.2.1輻度量①輻射能Qe

是以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪ǎㄖ饕缸贤?、可見光和紅外輻射）能量。

當(dāng)輻射能被其它物質(zhì)吸收時，可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚鐭崮?、電能?/p>

單位：焦耳J②輻射通量又稱為輻射功率，是輻射能的時間變化率，表征單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能

單位：瓦特W，或焦耳/秒J/s1.2.1輻度量③輻射出射度Me輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量，是反映物體輻射能力的物理量

單位：瓦特每平方米（W/m2）

面光源向半球面空間發(fā)射的總輻射通量為多少？1.2.1輻度量④輻射強度Ie在單位時間內(nèi)、給定方向上、單位立體角內(nèi)所輻射出的通量

單位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）

點光源在有限立體角Ω內(nèi)發(fā)射的輻通量為多少？？

?。♂槍c輻射源定義的

1.2.1輻度量⑤輻射亮度Le定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量

表示為輻射表面定向發(fā)射的輻射強度與該面元在垂直于該方向的平面上的正投影面積的比值

單位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）

1.2.1輻度量⑥輻射照度Ee投影在單位面積上的輻射通量，或照射在面元dA上的輻射通量與該面元的面積之比。

單位：瓦特每平方米（W/m2）

輻照度與輻出度的區(qū)別和聯(lián)系？輻照度是指從物體表面接收輻射通量

輻出度是指從面光源表面發(fā)射輻射通量

1.2.1輻度量

也叫輻射量的光譜密度，是輻射量波長的變化率。

與輻射度量采用同樣的物理量表示，只是均定義為單位波長間隔內(nèi)對應(yīng)的輻射度量——光譜輻射度量

例如光譜輻射通量Φe,λ:光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)

的輻射通量，也稱為光譜密度或單色輻射通量

在整個光譜內(nèi)，總的輻射通量為

1.2.2光度量由于大部分光源是作為照明用的，而且照明的效果最終是以人眼來評定的，因此，照明光源的光學(xué)特性必須用于基于人眼視覺的光學(xué)

參數(shù)量——光度量來描述

光度量是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強度值。

能量相同而波長不同的光，對人眼引起的視覺強度是不同的。

1.2.2光度量①視見函數(shù)或光視效率

②光通量

③光出射度M

⑤發(fā)光強度I

④光亮度L

⑥光照度E

1.2.2光度量①視見函數(shù)或光視效率人眼對各種波長的光的感覺靈敏度是不一樣的

一般而言，對綠光最靈敏，而對紅光較差

光度量與輻射度量之間的關(guān)系用光視效能與光視效率表示。光視效能描述某一波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量。在輻射頻率540

1012Hz（波長555nm）處，K

有最大值，其數(shù)值為Km=683lm/W，視見函數(shù)（光視效率）1.2.2光度量①視見函數(shù)或光視效率標(biāo)準(zhǔn)適光性視見函數(shù)值

1.2.2光度量輻射量度與光量度的關(guān)系本章內(nèi)容1.1電磁波譜與光輻射1.2輻度學(xué)與光度學(xué)基本知識1.3熱輻射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光頻電磁波的基本理論和定律1.3熱輻射基本定律任何0K以上溫度的物體都會發(fā)射各種波長的電磁波；由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射；熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠(yuǎn)紅外區(qū)延伸到紫外區(qū)，并且輻射能按波長的分布主要決定于物體的溫度。1.3.1單色吸收比和單色反射比任一物體向周圍發(fā)射電磁波的同時，也吸收周圍物體發(fā)射的輻射能;當(dāng)輻射從外界入射到不透明的物體表面上時，一部分能量被吸收，另一部分能量從表面反射;如果物體是透明的，則還有一部分能量透射。

吸收比：被物體吸收的能量與入射的能量之比；

單色吸收比αλ

(T)

：在波長λ到λ

+d

λ范圍內(nèi)的吸收比

反射比：被物體反射的能量與入射的能量之比

單色反射比

λ

(T)：在波長λ到λ

+d

λ范圍內(nèi)的反射比1.3.1單色吸收比和單色反射比對于不透明的物體，單色吸收比和單色反射比之和等于1

αλ

(T)+

λ

(T)=1黑體：物體在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收比都等于1，即αλ

(T)恒等于1。1.3.2基爾霍夫輻射定律在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。

為黑體的單色輻射出射度。1.3.3普朗克公式黑體處于溫度T時，在波長λ處的單色輻射出射度，由普朗克公式給出第一輻射常數(shù)第二輻射常數(shù)對應(yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個峰值，對應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出射度（即曲線下的面積）；黑體輻射單色輻射出射度的波長分布單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大；單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動。1.3.3普朗克公式普朗克公式中，當(dāng)λT很大時；得到適合于長波長區(qū)的瑞利-瓊斯公式時，瑞利-瓊斯公式與普朗克公式的誤差小于1%。1.3.4瑞利-瓊斯公式1.3.5&1.3.6維恩公式&位移定律普朗克公式中，當(dāng)λT很小時；得到適合于短波長區(qū)的維恩公式時，維恩公式與普朗克公式的誤差小于1%。單色輻射出射度最大值對應(yīng)的波長λm,由得到1.3.7斯忒藩-玻爾茲曼定律黑體的輻射出射度*斯忒藩-玻爾茲曼定律表明黑體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其他性質(zhì)無關(guān)。其中為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)。1.3.8色溫色溫度表示一個熱輻射光源所發(fā)出光的光色性質(zhì)，單位為K；色溫度是指在規(guī)定兩波長處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫度；色溫度并非熱輻射光源本身的溫度；色溫度相同的熱輻射光源的連續(xù)譜也可能不相似，若規(guī)定的波長不同，色溫度往往也不相同；非熱輻射光源，色溫度只能給出這個光源光色的大概情況，一般來說，色溫高代表藍(lán)、綠光成分多些，色溫低則表示橙、紅光的成分多些。光輻射、發(fā)光源與光傳播基本定律第一章本章內(nèi)容1.1電磁波譜與光輻射1.2輻度學(xué)與光度學(xué)基本知識1.3熱輻射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光頻電磁波的基本理論和定律1.4激光基本原理1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1、光子的基本性質(zhì)

（一）、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！1、能量2、質(zhì)量3、動量4、兩個獨立的偏振態(tài)5、有自旋，量子數(shù)為整數(shù)，服

從玻色—愛因斯坦分布Comptom散射實驗1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)（二）、光的粒子性和波動性的統(tǒng)一：量子電動力學(xué)的理論，將電磁場量子化1、電磁場的本征模式：具有基元能量和基元動量的物質(zhì)單元即屬同一本征模式的光子；

2、具有相同動量和相同能量的光子彼此不可區(qū)分，屬同一模式（狀態(tài)）

3、處于同一模式或狀態(tài)的腔內(nèi)光子數(shù)目是沒有限制的

4、任意電磁場可以看作一系列單色平面波或本征模式的線性疊加

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)（三）、光波模式——波動性2、自由空間中的電磁波:任意波矢的平面波均可以存在!3、受邊界條件限制空間的電磁波：一系列獨立的具有特定波矢的平面單色駐波。即只允許駐波光模式存在！4、光波模式：能存在于腔內(nèi)的以波矢k為標(biāo)志的電磁波模式,同一k又由于對應(yīng)兩個獨立的偏振態(tài)。1、麥?zhǔn)戏匠痰慕?/p>

特解：單色平面波

通解：一系列單色平面波的疊加

5、體積為V

的空腔中的光波模式數(shù):光波模式的波矢空間表示。1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)（四）、光子態(tài)——粒子性1、經(jīng)典力學(xué)中粒子運動狀態(tài)的描述用六維相空間的一個點，即廣義笛卡爾坐標(biāo)（x、y、z、px、py、pz）描述！

2、光子運動狀態(tài)的描述受測不準(zhǔn)關(guān)系的限制，其坐標(biāo)和動量不能同時準(zhǔn)確測定！

（1）一維運動時：在的二維相空間面積元內(nèi)的粒子狀態(tài)在物理上不可區(qū)分，故屬于同一種光子狀態(tài)。

（2）二維運動時：在的四維相空間面積元內(nèi)的粒子狀態(tài)在物理上不可區(qū)分，故屬于同一種光子狀態(tài)。

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)（四）、光子態(tài)——粒子性（3）三維運動時：在的六維相空間體積元內(nèi)的粒子狀態(tài)在物理上不可區(qū)分，故屬于同一種光子狀態(tài)。

（4）相格：一個光子狀態(tài)對應(yīng)的相空間體積元，是用任何實驗所能分辨的最小尺度。

說明：光子的運動狀態(tài)只能定義在相格中，但不能確定它在該相格中的精確位置！

（6）相格空間體積：一個相格所占的坐標(biāo)空間體積。（5）相空間體積元1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)2、光子的相干性和光子簡并度（一）光的相干性的分類

（1）時間相干性：波場中同一點不同時刻光波場特性的相關(guān)性。此相干性來源于原子發(fā)光的間斷性。

（2）空間相干性：波場中不同點在同一時刻光波場特性的相關(guān)性。此相干性來源于光源中不同原子發(fā)光的獨立性。1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)2、光子的相干性和光子簡并度（二）相干性的粗略描述——相干體積（1）相干體積Vc：若在空間體積Vc內(nèi)各點的光波場都具有明顯的相干性，則Vc稱為相干體積。雙縫干涉實驗中的條紋可見度要高，必須要求光波有明顯的相干性，即要滿足:

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)2、光子的相干性和光子簡并度（二）相干性的粗略描述——相干體積

則光源相干面積為：

則光源相干體積為：

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。

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)2、光子的相干性和光子簡并度（三）光子簡并度（1）好的相干光源的衡量標(biāo)準(zhǔn)：相干光強高、相干面積大、相干時間長。（2）激光光源：是把大的相干光強與好的相干性結(jié)合起來的強相干光源。（3）相干光強：是描述光的相干性的參量之一，其大小取決于具有相干性的光子數(shù)的數(shù)目或同態(tài)光子的數(shù)目。（4）光子簡并度：處于同一光子狀態(tài)的光子數(shù)目（同一光波模式內(nèi)的光子數(shù)/同一相干體積內(nèi)的光子數(shù)/同一相干體積內(nèi)的光子數(shù)）。（5）相干光強與光子簡并度的關(guān)系：相干光強的大小取決于光子簡并度的大小，光子簡并度越大，則相干光強越大。1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)3、光的受激輻射基本概念（一）原子能級及粒子數(shù)分布*原子的能量狀態(tài)取一系列分立值。每一個能量狀態(tài)稱為原子的一個能級，其中最低的能級稱為基態(tài)，高于基態(tài)的能級稱為激發(fā)態(tài)。在熱平衡狀態(tài)下，各能級上的粒子數(shù)布居服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。光吸收與光輻射過程：能級躍遷過程

吸收或輻射的光子能量與能級差的關(guān)系：

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)3、光的受激輻射基本概念（一）原子能級及粒子數(shù)分布T：熱平衡溫度；Nn：能級En上的粒子數(shù)布居；

kB：玻耳茲曼常數(shù)。在熱平衡狀態(tài)下氣體原子體系的粒子數(shù)布居滿足玻耳茲曼分布：

兩個能級E1與E2上的粒子數(shù)分布之比：

當(dāng)E2>E1時，N2<N1。表明在熱平衡狀態(tài)下高能級上的粒子數(shù)布居總是小于低能級，且兩者的比例取決于體系的溫度。

一般地，在熱平衡狀態(tài)下，幾乎所有的原子都處于最低能態(tài)——基態(tài)。

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)3、光的受激輻射基本概念（二）自發(fā)輻射

自發(fā)輻射是個隨機過程，處于高能級的各個原子隨時地、獨立地向低能級自發(fā)躍遷，所發(fā)射的光子是非相干的。

自發(fā)輻射光子的能量和頻率別滿足：

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)3、光的受激輻射基本概念（三）受激吸收

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)3、光的受激輻射基本概念（四）受激輻射

*受激輻射光子與入射光子具有相同的模式，即同頻率、同相位、同偏振態(tài)，因而是相干的。*受激輻射與受激吸收互為逆過程，兩者同時發(fā)生，同時存在。1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)3、光的受激輻射基本概念（五）愛因斯坦基本關(guān)系自發(fā)輻射過程：原子體系單位時間內(nèi)從能級E2躍遷到能級E1的粒子總數(shù)只與E2上的粒子數(shù)分布N2成正比，與輻射場無關(guān)

A21、B12、B21：愛因斯坦系數(shù)

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)3、光的受激輻射基本概念（五）愛因斯坦基本關(guān)系在熱平衡狀態(tài)下，原子體系在單位時間內(nèi)受激吸收的光子數(shù)應(yīng)等于自發(fā)輻射和受激輻射的光子數(shù)總和。由玻耳茲曼分布律得：

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)3、光的受激輻射基本概念（五）愛因斯坦基本關(guān)系由普朗克量子輻射公式：

可得愛因斯坦基本關(guān)系式：

1.4.1激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)3、光的受激輻射基本概念（六）受激輻射的相干性自發(fā)輻射是個隨機過程，處于高能級的各個原子隨時地、獨立地向低能級自發(fā)躍遷，所發(fā)射的光子是非相干的；自發(fā)輻射的傳播方向和偏振方向是無規(guī)則分布的，自發(fā)輻射能量平均分配在腔內(nèi)所有模式上；

受激輻射場與入射輻射場具有相同頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向，受激輻射場與入射輻射場是同一模式；受激輻光子與入射光子屬于同一光子態(tài)，因而是相干的。1.4.2激光產(chǎn)生的基本原理和方法1、激光器的基本結(jié)構(gòu)實現(xiàn)激光發(fā)射的兩個必備條件：受激輻射的產(chǎn)生和放大。激光器：能夠?qū)崿F(xiàn)受激輻射產(chǎn)生和放大的器件或裝置。激光振蕩器：具有一個光學(xué)諧振腔，由受激輻射產(chǎn)生的光在腔內(nèi)多次往返而形成持續(xù)的激光振蕩。

激光放大器：自身不具有光學(xué)諧振腔，只能使來自其他激光器輸出的激光信號通過增益介質(zhì)而獲得單次或有限次的行波式放大

通常的激光器，一般指激光振蕩器，在某些情況下則是指由激光振蕩器和放大器組成的組合系統(tǒng)

1.4.2激光產(chǎn)生的基本原理和方法1、激光器的基本結(jié)構(gòu)激光振蕩器的主要組成：增益介質(zhì)+激勵源+光學(xué)諧振腔說明：僅有激勵源、增益介質(zhì)和光學(xué)諧振腔還不一定能輸出激光。只有使受激輻射的增益大于其損耗，才能使受激輻射在諧振腔內(nèi)來回反射時，強度不斷增大，最后輸出激光。

1.4.2激光產(chǎn)生的基本原理和方法2、光學(xué)諧振腔及其選模作用光學(xué)諧振腔：裝在增益介質(zhì)兩端的一對反射率很高的反射鏡，結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。其中一個為全反射鏡，反射率接近100%；另一個為部分反射鏡，反射率約80%左右。光學(xué)諧振腔的作用：

①實現(xiàn)光的正反饋

②對輸出光束的波長進(jìn)行選擇——高度單色性

③使輸出光束的定向——高度方向性

1.4.2激光產(chǎn)生的基本原理和方法工作原理：當(dāng)增益介質(zhì)產(chǎn)生的受激輻射到達(dá)兩端的反射鏡面時，將被再次反射回增益介質(zhì)，從而繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射。被進(jìn)一步放大的受激輻射在諧振腔中來回振蕩，同時不斷地誘發(fā)新受激輻射，使之雪崩似地獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，并從部分反射鏡一端輸出。2、光學(xué)諧振腔及其選模作用1.4.2激光產(chǎn)生的基本原理和方法3、光放大物質(zhì)的增益系數(shù)和增益曲線粒子束反轉(zhuǎn)：因E2>E1所以n2<n1，在熱平衡狀態(tài)下，高能級粒子集居數(shù)恒小于低能級集居數(shù);只有當(dāng)外界向物質(zhì)提供能量(稱為激勵或泵浦過程)，從而使物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)時,n2>n1激活物質(zhì):處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的物質(zhì)放大器:一段激活物質(zhì)光放大的增益系數(shù)：

z處的光強：增益物質(zhì)的光放大1.4.2激光產(chǎn)生的基本原理和方法

均勻加寬物質(zhì)非均勻加寬物質(zhì)3、光放大物質(zhì)的增益系數(shù)和增益曲線增益飽和與自激振蕩1.4.2激光產(chǎn)生的基本原理和方法4、光的自激振蕩光放大的同時，還存在著光的損耗，同時考慮增益和損耗時

與放大器本身的參數(shù)有關(guān)，與初始光強無關(guān),弱初始光強+足夠長放大器=確定大小的光強*一個激光器應(yīng)包含泵浦源、光放大器和光學(xué)諧振腔三部分。其作用分別是使激光物質(zhì)成為激活物質(zhì)、對弱光信號進(jìn)行放大、模式選擇和提供軸向光波模的反饋。1.4.3開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束開放式光學(xué)諧振腔：其側(cè)面沒有光學(xué)邊界(這是理想化的處理方法)的光學(xué)諧振腔，比如F-P腔、共軸球面腔等。分類：穩(wěn)定腔、非穩(wěn)定腔和臨界腔1、腔的損耗①幾何偏折損耗；②衍射損耗③腔鏡反射不完全引起的損耗，包括鏡中的吸收、散射以及鏡的透射損耗④材料中的非激活吸收、散射、腔內(nèi)插入物(如布儒斯特窗、調(diào)Q元件、調(diào)制器等)引起的損耗。1.4.3開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束1、腔的損耗

t時刻的光強：從0到t時刻光在腔內(nèi)往返的次數(shù)：

1.4.3開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束1、腔的損耗設(shè)t時刻腔內(nèi)光子數(shù)密度為N

，

N與光強I(t)的關(guān)系為t時刻，腔內(nèi)的光子數(shù)密度：

計算出所有n個光子的平均壽命為：

損耗越小Q值就越高1.4.3開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束2、共軸球面腔的穩(wěn)定條件穩(wěn)定腔（腔的損耗低）：滿足條件

臨界腔（極限情況，有重要意義）：滿足條件具有代表性的臨界腔有對稱共焦腔、平行平面腔和共心腔。共焦腔（穩(wěn)定腔）：最有代表性的一種穩(wěn)定腔。穩(wěn)定球面腔的模式理論的基礎(chǔ)。共軸球面腔的穩(wěn)定圖非穩(wěn)定腔（幾何損耗高）：滿足條件1.4.3開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束3、腔模的物理概念和腔內(nèi)行波橫模（自再現(xiàn)模）：諧振腔內(nèi)光場沿橫向的穩(wěn)定分布；開腔鏡面上的經(jīng)一次往返能再現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)場分布，由腔的一個鏡面上的場所產(chǎn)生的、并沿著腔的軸線傳播的行波場，用TEMmn表示。*在一定邊界條件下，麥克斯韋方程組的穩(wěn)定解思考題：怎么理解縱模？1.4.3開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束4、對稱共焦腔基模高斯光束的特征（1）振幅分布和光斑尺寸對稱共焦場基模的振幅分布：共焦腔場基模的振幅在橫截面內(nèi)由高斯分布函數(shù)所描述，稱為高斯光束光斑尺寸（基模腰斑半徑）：在共焦腔鏡面上:1.4.3開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束4、對稱共焦腔基模高斯光束的特征（2）模體積：描述該模式在腔內(nèi)所擴展的空間范圍：共焦腔基模的模體積：模體積越大，對該模式的振蕩有貢獻(xiàn)的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)就越多，可能獲得大的輸出功率;模體積小，則對振蕩有貢獻(xiàn)的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)就少，輸出功率也就小。1.4.3開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束4、對稱共焦腔基模高斯光束的特征（3）等相位面分布

1.4.3開放式光學(xué)諧振腔和高斯光束4、對稱共焦腔基模高斯光束的特征（4）遠(yuǎn)場發(fā)散角共焦腔的基模光束按雙曲線規(guī)律從腔的中心向外擴展，基模的遠(yuǎn)場發(fā)散角：包含在發(fā)散角內(nèi)的功率占基模光束總功率的86.5%；理論發(fā)散角具有毫弧度的量級光輻射、發(fā)光源與光傳播基本定律第一章本章內(nèi)容1.1電磁波譜與光輻射1.2輻度學(xué)與光度學(xué)基本知識1.3熱輻射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光頻電磁波的基本理論和定律1.5典型激光器1.5.1固體激光器

氣體放電燈激勵的固體激光器

1.光泵激勵作用：把基態(tài)的粒子抽運到激發(fā)態(tài)分類：氣體放電燈，半導(dǎo)體激光器1.5典型激光器1.5.1固體激光器

端面泵浦闊值功率低，效率高。側(cè)面泵浦半導(dǎo)體激光器陣列作泵浦源1.5典型激光器1.5.1固體激光器2.紅寶石激光器紅寶石是摻有少量Cr2O3(質(zhì)量比約為0.05%)的Al203

晶體

Cr3離子的能級圖：三能級694.3nm1.5典型激光器1.5.1固體激光器3.釹激光器三價釹離子作為激活粒子Nd3離子的能級圖：四能級

1.5典型激光器1.5.1固體激光器4.鈦寶石激光器鈦寶石(Ti:Al2O3)中，少量Ti離子(1.2%)取代了Al2O3中的Al3+離子。欽寶石能級圖連續(xù)可調(diào)固體激光器：660~1180nm；激光泵浦：氧離子激光器，Nd:YAG…；鎖模激光器：極窄的脈寬（fs）1.5典型激光器1.5.2氣體激光器氣體激光器是以氣體或金屬蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器工作物質(zhì)光學(xué)均勻性好；光束的方向性好、單色性好；體積比較龐大；常采用氣體放電泵浦1.5典型激光器1.5.2氣體激光器1.He-Ne激光器內(nèi)腔式He-Ne激光器He原子和Ne原子的能級可見光及紅外波段：632.8nm、1.1.15

m和3.39μm結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、價格低廉；輸出功率：毫瓦量級；工作物質(zhì)尺寸、諧振腔損耗、輸出耦合、氣體放電參數(shù)、充氣氣壓和比例、毛細(xì)管的管徑1.5典型激光器1.5.2氣體激光器2.Ar+激光器Ar+

離子能級圖最強488nm和514.5nm大電流弧光放電激發(fā)：集中在毛細(xì)管中心1~2mm范圍內(nèi)；石墨和氧化鈹陶瓷毛細(xì)管：耐高溫、導(dǎo)熱性好、抗濺射和氣密性好。鎢盤-陶瓷Ar+

激光器1.5典型激光器1.5.2氣體激光器工作物質(zhì)：CO2

、N2

和He的混合氣體；輸出波長：大氣窗口（1.06μm）；輸出功率：可高達(dá)20kW廣泛應(yīng)用于激光加工、醫(yī)療、

大氣通信及軍事領(lǐng)域3.CO2

激光器CO2和N2分子能級圖1.5典型激光器1.5.3半導(dǎo)體二極管激光器

優(yōu)點體積小、壽命長、輸出功率大、效率高；采用簡單的電流注入方式泵浦；可與集成電路單片集成；高速率直接調(diào)制（GHz）；激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、激光測距和激光雷達(dá);熱平衡狀態(tài)下直接簾'隙半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)及電子占據(jù)能帶的情況1.5典型激光器1.5.3半導(dǎo)體二極管激光器1.雙異質(zhì)結(jié)激光器半導(dǎo)體激光器輸出功率隨注入電流的變化曲線雙異質(zhì)結(jié)A1GaAs/GaAs激光器結(jié)構(gòu)2.量子阱激光器1.5典型激光器1.5.4光纖激光器

優(yōu)點型化、散熱快、損耗低、激光閾值低；輸出激光波長多；可調(diào)諧性、諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片；無須熱電制冷和水冷；在激光光纖通信、激光空間、遠(yuǎn)距通信、軍事國防安全、醫(yī)療器械;以摻稀土元素光纖作為增益介質(zhì)的激光器。1.5典型激光器1.5.4光纖激光器工作物質(zhì)：摻雜離子有Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+;不同摻雜粒子輸出波長不同。諧振腔：光纖光柵，分為單模和多模光纖光柵諧振腔；簡化結(jié)構(gòu)、窄化線寬、提高信噪比；輸出功率密度達(dá)到30MW/cm2

泵浦結(jié)構(gòu)：①單模光纖、端面泵浦②多模光泵浦、單模光輸出③側(cè)面泵浦本章內(nèi)容1.1電磁波譜與光輻射1.2輻度學(xué)與光度學(xué)基本知識1.3熱輻射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光頻電磁波的基本理論和定律1.6.1光波的電磁場理論Maxwell方程

(1.113)1波動方程物質(zhì)方程各向同性介質(zhì)

r

=1

非磁性介質(zhì)無源空間,

=0

1.6.1光波的電磁場理論1波動方程各向同性介質(zhì)、遠(yuǎn)離輻射源、不存在自由電荷和傳導(dǎo)電流的區(qū)域，麥克斯韋方程組簡化為求解？1.6.1光波的電磁場理論1波動方程各向同性介質(zhì)、遠(yuǎn)離輻射源、不存在自由電荷和傳導(dǎo)電流的區(qū)域，麥克斯韋方程組簡化為求解？1.6.1光波的電磁場理論1波動方程(3)代入(1)并進(jìn)行旋度運算，可得

(1.1-15)

(1.1-16)利用與之間的關(guān)系(2式，得

(3)

(2)

(1)1.6.1光波的電磁場理論1波動方程再利用矢量恒等式和物質(zhì)方程，可得同理對于磁場強度，有均勻各向同性介質(zhì)中，

=0，上面兩式可簡化為

1.6.1光波的電磁場理論1波動方程波動方程標(biāo)量波動方程其中1.6.1光波的電磁場理論1波動方程光電磁波在真空中的速度為介質(zhì)對光波傳播快慢的影響用折射率n表示1.6.1光波的電磁場理論2介質(zhì)的折射率和光波速度當(dāng)

能流密度一一坡印亭矢量S，描述光波場能量的傳播

1.6.1光波的電磁場理論3光波場的能流密度能流密度的時間平均值，表示為光強（1）平面波1.6.1光波的電磁場理論4波動方程的解——幾種特殊形式的光波平面波示意圖（2）球面波1.6.1光波的電磁場理論4波動方程的解——幾種特殊形式的光波（3）柱面波（4）高斯光束1.6.1光波的電磁場理論4波動方程的解——幾種特殊形式的光波1單色光1.6.2光波場的時域頻率特性2復(fù)色光3準(zhǔn)單色光：1平面單色光波的速度1.6.3相速度和群速度2平面復(fù)色光波的速度（1）相速度：等相位面的位置隨時間的變化率（1）相速度（2）群速度：等振幅面的位置隨時間的變化率1平面光波的橫波特性1.6.4光波的橫波性質(zhì)和偏振態(tài)2平面光波的偏振特性平面光波的電場矢量和磁場矢量均垂直于波矢方向線偏振、圓偏振、橢圓偏振

1.6.5光波在各向同性介質(zhì)界面的反折射1.

反射定律與折射定律

z均勻平面波在界面的反、折射n1n2

t

i

r

1.6.5光波在各向同性介質(zhì)界面的反折射1.

反射定律與折射定律

z

t

n1n2

i

r在兩種不同介質(zhì)的界面上，電場、磁場滿足邊界條件：E1t=E2t和H1t=H2t，即1.6.5光波在各向同性介質(zhì)界面的反折射1.

反射定律與折射定律相位因子滿足振幅因子滿足1.6.5光波在各向同性介質(zhì)界面的反折射1.

反射定律與折射定律Snell定律

進(jìn)一步，若二介質(zhì)均為各向同性介質(zhì)，則有由于在界面上，有，所以上面關(guān)系式意味著在界面上的切向分量相等1.6.5光波在各向同性介質(zhì)界面的反折射2.

菲涅耳公式另外：1.6.5光波在各向同性介質(zhì)界面的反折射2.

菲涅耳公式1.6.5光波在各向同性介質(zhì)界面的反折射2.

菲涅耳公式①在小角度(正人射)和大角度(掠入射)情況下，Rs=Rp正人射:掠入射:

④反射率的大小與界面兩側(cè)介質(zhì)的折射率有關(guān)。1.6.5光波在各向同性介質(zhì)界面的反折射3.反射光和折射光的偏振特性①自然光：光波在垂直于傳播方向的平面內(nèi)具有一切可能的振動方向，且在各個振動方向上振動的振幅在觀察時間內(nèi)的平均值相等、初相位完全無關(guān)。②部分偏振光：果各個振動方向上振動強度不相等。③完全偏振光：光矢量有確定不變的或規(guī)則變化的振動方向。為了表征光波的偏振特性，引人偏振度P對于完全非偏振光，

P=0;對于完全偏振光，P=l;對于部分偏振光，0<P<l，P

越接近于1，光波的偏振度越高。(1)光波偏振的分類和偏振度1.6.5光波在各向同性介質(zhì)界面的反折射3.反射光和折射光的偏振特性

(2)自然光的反射和折射特性(3)線偏振光的反射、折射特性當(dāng)線偏振光人射到界面時，把入射光的E

矢量分解成為s

分量和p

分量，由于s

分量和p分量的反射系數(shù)不同，相對入射光而言，反射光和折射光的振動面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但反射光和折射光仍為線偏振光。1.6.6幾何光學(xué)基本定律1.波面、光線和光束2.幾何光學(xué)基本定律光的直線傳播定律光的獨立傳播定律3.光的反射定律和折射定律1.6.6幾何光學(xué)墓本定律作業(yè)1.1，1.2，1.4，1.6，1.8，

1.14，1.19，1.20，1.21光輻射的傳播第二章本章內(nèi)容2.1光波在大氣中的傳播2.2光波在電光晶體中的傳播2.3光波在聲光晶體中的傳播2.4光波在磁光介質(zhì)中的傳播2.5光波在光纖波導(dǎo)中的傳播2.6光波在非線性介質(zhì)中的傳播2.7光波在水中的傳播2.1光波在大氣中的傳播光波在大氣中傳播時，大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散射會引起的光束能量衰減;空氣折射率不均勻會引起的光波振幅和相位起伏；當(dāng)光波功率足夠大、持續(xù)時間極短時，非線性效應(yīng)也會影響光束的特性。2.1光波在大氣中的傳播大氣分層根據(jù)密度、溫度、氣壓、水汽含量、導(dǎo)電性能等物理特性，大氣層分為：地球表面到1200km;氣體和水蒸氣構(gòu)成的混合物，含有大量液態(tài)和固態(tài)雜質(zhì)微粒；氣體成分不均勻——分層。對流層（troposphere）：地表到10km，劇烈的垂直對流運動，影響激光傳輸最嚴(yán)重；平流層（stratosphere）：10km到60km,垂直運動很弱；電離層（ionosphere）：50—800km;外球?qū)樱╫uteratmosphere）：900—1200km。2.1光波在大氣中的傳播低層大氣分類按組分分類按白日水平能見距離分類標(biāo)準(zhǔn)大氣：不含雜質(zhì)微粒的大氣；實際大氣：含雜質(zhì)微粒的大氣2.1.1大氣衰減激光輻射在大氣中傳播時，部分光輻射能量被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚ㄈ鐭崮艿龋?部分能量被散射而偏離原來的傳播方向;吸收和散射的總效果使傳輸光輻射強度的衰減。設(shè)強度為I的單色光輻射，通過厚度為dl的大氣薄層。光強衰減量dI正比與I及dl，即dI/I=(I

-I)/I=

dl

T

exp(

L)

(km-1)：大氣衰減系數(shù)km和

m：分子的吸收和散射系數(shù)；ka和

a：氣溶膠的吸收和散射系數(shù)

km

m

ka

a

(dB/km)=4.343

(1/km)

2.1.1大氣衰減1、大氣分子的吸收大氣分子→極化→受迫振動→吸收；電子運動\原子振動\轉(zhuǎn)動。

分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運動形態(tài)決定。

相應(yīng)的共振吸收頻率分別與光波的紫外和可見光、近紅外和中紅外以及遠(yuǎn)紅外區(qū)相對應(yīng)。

因此，分子的吸收特性強烈的依賴于光波的頻率。

大氣中N2、O2

：可見光和紅外區(qū)幾乎不表現(xiàn)吸收，主要對遠(yuǎn)紅外和微波吸收。

大氣中He，Ar，Xe，O3，Ne等：可見光和近紅外有吸收譜線，大氣中的含量甚微，不考慮吸收；在高空處，其余衰減因素都已很弱，考慮其吸收作用。

2.1.1大氣衰減1、大氣分子的吸收大氣中H2O和CO2分子，特別是H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動-轉(zhuǎn)動及純振動結(jié)構(gòu)，因此是可見光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子

吸收分子主要吸收譜線中心波長(mm)H2O0.720.820.930.941.131.381.461.872.663.156.2611.712.613.514.3CO21.41.62.054.35.29.410.4O24.79.6可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線2.1.1大氣衰減1、大氣分子的吸收大氣窗口：根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成8個區(qū)段，將透過率較高的波段稱為“大氣窗口”。大氣透過律及其大氣窗口2.1.1大氣衰減2、大氣分子散射大氣中總存在著局部的密度與平均密度統(tǒng)計性的偏離——密度起伏，破壞了大氣的光學(xué)均勻性，一部分輻射光會向其他方向傳播，從而導(dǎo)致光在各個方向上的散射。2.1.1大氣衰減2、大氣分子散射瑞利散射：在可見光和近紅外波段，輻射波長總是遠(yuǎn)大于分子的線度，這一條件下的散射為瑞利散射，散射光的強度與波長的四次方成反比，瑞利散射系數(shù)：波長越長，散射越弱波長越短，散射越強2.1.1大氣衰減3、大氣氣溶膠的衰減

瑞利散射：光波長遠(yuǎn)大于散射粒子尺寸，強烈依賴波長；米氏散射：光的波長相當(dāng)于或小于散射粒尺寸，依賴于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性。2.1.1大氣衰減3、大氣氣溶膠的衰減氣溶膠微粒的尺寸分布極其復(fù)雜，受天氣變化的影響很大天氣類型N(cm-3)amax(

m)氣溶膠類型霾M100cm-33海上或岸邊的氣溶膠霾L100cm-32大陸性氣溶膠霾H100cm-30.6高空或平流層的氣溶膠雨M100cm-33000小雨或中雨雨L1000m-32000大雨冰雹H10m-36000含有大量小顆粒的冰雹積云C.1100cm-315積云或?qū)釉?、霧云C.2100cm-37有色環(huán)的云云C.3100cm-33.5貝母云云C.4100cm-35.5太陽周圍的雙層或三層環(huán)的云2.1.1大氣衰減3、大氣氣溶膠的衰減（1）晴朗、霾、霧大氣的衰減

兩邊取對數(shù)得可見(－q)是ln

a

~ln

直線的斜率，q值可通過實驗確定。據(jù)氣象對能見度V（km）的定義可得：對于可見光：

/0.55

1，故有

a

=3.91/V(km)。對于近紅外光：

2.1.1大氣衰減3、大氣氣溶膠的衰減霧與雨的差別不僅在于降水量的不同，更主要是霧粒子和雨滴的尺寸有很大差別；

（2）雨和雪的衰減雨滴間隙要大得多，故能見度較霧高，光波容易通過。加之雨滴的前向散射效應(yīng)強，這會顯著地減小對直射光束的衰減。結(jié)果雨的衰減系數(shù)比霧小兩個數(shù)量級以上；激光在雪中的衰減與在雨中相似，衰減系數(shù)與降雪強度有較好的對應(yīng)關(guān)系；不同波長的激光在雪中的衰減差別不大，但就同樣的含水量而言，雪的衰減比雨的大，比霧的小。2.1.2大氣湍流效應(yīng)大氣是一種均勻混合的單一氣態(tài)流體，其運動形式分為層流運動和湍流運動。

層流運動：流體質(zhì)點做有規(guī)則的穩(wěn)定流動，在一個薄層的流速和流向均為定值，層與層之間在運動過程中不發(fā)生混合；湍流運動：無規(guī)則的漩渦流動，質(zhì)點的運動軌跡很復(fù)雜，既有橫向運動，也有縱向運動，空間每一點的運動速度圍繞某一平均值隨機起伏

2.1.2大氣湍流效應(yīng)慣性力與此氣體容積邊界上所受的粘滯力之比超過某一臨界值時，有規(guī)則的層流運動就會失去，其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運動，這一比值就是表示流體運

動狀態(tài)特征的雷諾數(shù)Re：

當(dāng)Re小于臨界值Recr（由實驗測定）時，流體處于穩(wěn)定的層流運動，而大于Recr時為湍流運動。由于氣體的粘滯系數(shù)??較小，所以氣體的運動多半為湍流運動

2.1.2大氣湍流效應(yīng)激光的大氣湍流效應(yīng)，本質(zhì)是激光在折射率起伏場中傳輸時的效應(yīng)。

大氣速度、溫度、折射率的統(tǒng)計特性服從“2/3次方定律”i分別代表速度（v）、溫度（T）和折射率（n）；r為考察點之間的距離；Ci為相應(yīng)場的結(jié)構(gòu)常數(shù)，單位是m-1/3。通常用折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Ci的數(shù)值大小表征湍流強度弱湍流：Cn=8

10-9m-1/3;中等湍流：Cn=4

10-8m-1/3;

強湍流：Cn=5

10-7m-1/3

2.1.2大氣湍流效應(yīng)1、大氣閃爍當(dāng)光束直徑dB>>l時，光束截面內(nèi)包含有多個湍流旋渦，每個旋渦各自對照射其上的那部分光束獨立地散射和衍射,光束強度在時間和空間上隨機起伏，光強忽大忽小。大氣閃爍的幅度特性由接收平面上某點光強I的對數(shù)強度方差

表示

可通過理論計算求得，則可由實際測量得到。

2.1.2大氣湍流效應(yīng)1、大氣閃爍在弱湍流且湍流強度均勻的條件下：一般地，波長短，閃爍強，波長長，閃爍小。

當(dāng)湍流強度增強到一定程度或傳輸距離增大到一定限度時，閃爍方差不按上述規(guī)律繼續(xù)增大，卻略有減小而呈現(xiàn)飽和，故稱之為閃爍的飽和效應(yīng)。

2.1.2大氣湍流效應(yīng)2、光束的彎曲和漂移光束漂移：在接收平面上，光束中心的投射點（即光斑位置）以某個統(tǒng)計平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機性跳動；光束彎曲：若將光束視為一體，經(jīng)過若干分鐘會發(fā)現(xiàn)，其平均方向明顯變化，這種慢漂移稱為光束彎曲。光束彎曲和漂移現(xiàn)象亦稱天文折射，受制于大氣折射率的起伏，彎曲表現(xiàn)為光束統(tǒng)計位置的慢變化，漂移則是光束圍繞其平均位置的快速跳動。

2.1.2大氣湍流效應(yīng)2、光束的彎曲和漂移——彎曲如忽略濕度影響，在光頻段大氣折射率n可近似表示為：P為大氣壓強；T為大氣溫度（K）。根據(jù)折射定律，在水平傳輸情況下不難證明，光束曲率為dN/dh

為大氣折射率垂直梯度,并且規(guī)定光束向下彎曲時曲率c為正。2.1.2大氣湍流效應(yīng)2、光束的彎曲和漂移——彎曲當(dāng)

dT/dh=-35C/km時，c=0，光束不發(fā)生彎曲；當(dāng)

dT/dh>-35C/km時，c為正，光束向下彎曲；當(dāng)

dT/dh

<-35C/km時，c為負(fù)，光束向上彎曲。實驗發(fā)現(xiàn)，一般情況下白天光束向上彎曲；晚上光束向下彎曲。在海平面條件下，P=101325Pa，dP/dh=-12100Pa/km,T=20oC時：在水平距離L處光斑位置偏離原始位置的距離2.1.2大氣湍流效應(yīng)2、光束的彎曲和漂移——漂移光束彎曲與漂移二者不能混同。

2.1.2大氣湍流效應(yīng)3、空間相位起伏

本章內(nèi)容2.1光波在大氣中的傳播2.2光波在電光晶體中的傳播2.3光波在聲光晶體中的傳播2.4光波在磁光介質(zhì)中的傳播2.5光波在光纖波導(dǎo)中的傳播2.6光波在非線性介質(zhì)中的傳播2.7光波在水中的傳播2.2光波在電光晶體中的傳播光波在介質(zhì)中的傳播受到介質(zhì)折射率的制約電光晶體——施加電場——束縛電荷的重新分布/離子晶格的微小形變——介電系數(shù)變化——晶體折射率變化折射率成為外加電場E的函數(shù)第一項：線性電光效應(yīng)或泡克耳（Pockels）效應(yīng)；第二項：二次電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng)。說明：①對于大多數(shù)電光晶體材料，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著②具有對稱中心的晶體中，不存在一次電光效應(yīng)2.2.1電致折射率變化分析方法：折射率橢球，直觀方便x，y，z為介質(zhì)的主軸方向。在晶體內(nèi)沿著這些方向的電位移D和電場強度E是互相平行的；nx，ny，nz為折射率橢球的主折射率。折射率成為外加電場E的函數(shù)：2.2.1電致折射率變化由于外電場，折射率橢球各系數(shù)(1/n2)隨之發(fā)生線性變化，其變化量可定義為質(zhì)的主軸方向：式中

ij稱為線性電光系數(shù)；i取值1，…，6；j取值1，2，3。當(dāng)晶體施加電場后，其折射率橢球就發(fā)生“變形”，橢球方程變?yōu)椋?.2.1電致折射率變化線性電光系數(shù)

ij可以用張量的矩陣形式表示：Ex，Ey

Ez是電場沿x，y，z方向的分量。具有

ij

元素的6×3矩陣稱為電光張量，每個元素的值由具體的晶體決定，它是表征感應(yīng)極化強弱的量。2.2.1電致折射率變化常用的電光晶體：KDP（KH2PO4）晶體LiNbO3晶體GaAs晶體2.2.1電致折射率變化

KDP晶體加外電場E后新的折射率橢球方程式：有nx=ny=no，nz=ne，no＞ne

外加電場的方向平行于z軸，即Ez=E，Ex=Ey=0，于是有2.2.1電致折射率變化尋求一個新的通常稱為感應(yīng)主軸坐標(biāo)系(x‘,y’,z‘)，使橢球方程不含交叉項，將

x坐標(biāo)和

y坐標(biāo)繞z軸旋轉(zhuǎn)α角得到：2.2.1電致折射率變化旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)后的折射率橢球：

主折射率變?yōu)椋?.2.1電致折射率變化當(dāng)KDP晶體沿z（主）軸加電場時，由單軸→雙軸晶體;折射率橢球的主軸繞z軸旋轉(zhuǎn)45o；轉(zhuǎn)角與外加電場的大小無關(guān)；其折射率變化與電場成正比。利用電光效應(yīng)實現(xiàn)光調(diào)制、調(diào)Q、鎖模等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。2.2.2電光相位延遲1、縱向應(yīng)用縱向電光效應(yīng)：電場方向與通光方向一致；橫向電光效應(yīng)：電場與通光方向相垂直。光波沿KDP類晶體z方向傳播，則其雙折射特性取決于橢球與垂直于z軸的平面相交所形成的橢圓。令z=0，橢圓方程為

:長、短半軸分別與x

和y

重合，x

和y

也就是兩個分量的偏振方向，相應(yīng)的折射率為nx

和ny

。2.2.2電光相位延遲1、縱向應(yīng)用

2.2.2電光相位延遲1、縱向應(yīng)用當(dāng)這兩個偏振態(tài)的光波穿過晶體后，將產(chǎn)生一個相位差：V=EzL是沿z軸加的電壓。電光相位延遲：這個相位延遲完全是由電光效應(yīng)造成的雙折射引起的，所以稱為電光相位延遲。相位差的變化僅取決于外加電壓改變電壓，相位成比例地變化

2.2.2電光相位延遲1、縱向應(yīng)用

半波電壓是表征電光晶體性能的一個重要參數(shù)，這個電壓越小越好，特別是在寬頻帶高頻率情況下，半波電壓越小，需要的調(diào)制功率就越小。

2.2.2電光相位延遲1、縱向應(yīng)用縱向電光偏振變化兩個偏振分量間的相速度的差異，會使一個分量相對于另一個分量有一個相位差，從而改變出射光束的偏振態(tài)一般情況下，出射的合成振動是橢圓偏振光：存在與外加電壓成正比變化的相位延遲晶體(可調(diào)偏振態(tài)變換器)，它對入射光偏振態(tài)的改變是由晶體的厚度決定。

2.2.2電光相位延遲1、縱向應(yīng)用縱向電光偏振變化

通過晶體后的合成光仍然是線偏振光，且與入射光的偏振方向一致，“全波片”。2.2.2電光相位延遲1、縱向應(yīng)用縱向電光偏振變化

這是一個正橢圓方程，說明通過晶體的的合成光為橢圓偏振光。當(dāng)A1=A2時，其合成光就變成一個圓偏振光，相當(dāng)于一個“1/4波片”的作用。2.2.2電光相位延遲1、縱向應(yīng)用縱向電光偏振變化

2.2.2電光相位延遲1、縱向應(yīng)用縱向電光偏振變化設(shè)一束線偏振光垂直于x

y

面入射，且沿x軸方向振動，它剛進(jìn)入晶體（x=0）即可分解為相互垂直的x

，y

兩個偏振分量，傳播距離L后在晶體的出射面(L)處，兩個分量間的相位差：2.2.2電光相位延遲1、縱向應(yīng)用縱向電光偏振變化

2.2.2電光相位延遲2、橫向應(yīng)用如果沿z向加電場，光束傳播方向垂直于z軸并與y（或x）軸成45

角，設(shè)光波垂直于x

z平面入射，E矢量與z軸成45

角，進(jìn)入晶體（y

=0）后即分解為沿x

和z方向的兩個垂直偏振分量。相應(yīng)的折率分別為：2.2.2電光相位延遲2、橫向應(yīng)用傳播距離L后x

分量為：z分量為：2.2.2電光相位延遲2、橫向應(yīng)用兩偏振分量的相位延遲分別為:因此，當(dāng)這兩個光波穿過晶體后將產(chǎn)生一個相位差:第一項與外加電場無關(guān)，是由晶體本身自然雙折射引起的；第二項即為電光效應(yīng)相位延遲。2.2.2電光相位延遲2、橫向應(yīng)用比較KDP晶體的縱向運用和橫向運用橫向運用：缺點是存在自然雙折射產(chǎn)生的固有相位延遲，與外加電場無關(guān)。優(yōu)點是總的相位延遲不僅與所加電壓成正比，而且晶體的長寬比(L/d)有關(guān)?？v向應(yīng)用：相位差只和V=EzL有關(guān)。橫向應(yīng)用中，增大L或減小d就可大大降低半波電壓。在z向加電場的橫向運用中，略去自然雙折射的影響，求得半波電壓為：光輻射的傳播第二章本章內(nèi)容2.1光波在大氣中的傳播2.2光波在電光晶體中的傳播2.3光波在聲光晶體中的傳播2.4光波在磁光介質(zhì)中的傳播2.5光波在光纖波導(dǎo)中的傳播2.6光波在非線性介質(zhì)中的傳播2.7光波在水中的傳播2.3光波在聲光晶體中的傳播聲波在介質(zhì)中傳播時，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。這如同一個光學(xué)“相位光柵”。光柵常數(shù)等于聲波長

s；當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，會產(chǎn)生光的衍射；超聲場的變化而變化引起衍射光的強度、頻率、方向等隨著變化。2.3光波在聲光晶體中的傳播

彈光效應(yīng)（Elasto-opticaleffect）晶體在應(yīng)力作用下發(fā)生形變，分子間的相互作用力發(fā)生改變，導(dǎo)致介電常數(shù)

（介質(zhì)折射率n）發(fā)生改變，從而影響光波在晶體中的傳播特性。采用折射率橢球分析方法；與電光系數(shù)對應(yīng)的為彈光系數(shù)P；如各項同性介質(zhì)中，其折射率變化可以表示為：其中n為平均折射率，P為彈光系數(shù)，S為彈性應(yīng)變幅值，與驅(qū)動功率有關(guān)2.3光波在聲光晶體中的傳播聲速僅為光速的數(shù)十萬分之一，對光波來說，運動的“聲光柵”可以看作是靜止的。超聲行波設(shè)聲波的角頻率為

s，波矢為，則沿x

方向傳播的聲波方程為:介質(zhì)折射率的變化正比于介質(zhì)質(zhì)點沿x方向的位移的變化率，即則聲波為行波時的介質(zhì)折射率：超聲應(yīng)變彈光系數(shù)2.3光波在聲光晶體中的傳播超聲駐波形成的折射率變化為：超聲駐波光波通過該介質(zhì)（超聲駐波）后所得到的調(diào)制光的調(diào)制頻率將為聲頻率的兩倍。超聲行波：相位光柵的變化頻率為fs。

超聲駐波：在T時間內(nèi)t=0，T/2，T各點不振動時，這時無相位光柵，即相位光柵出現(xiàn)的頻率為2fs。

2.3光波在聲光晶體中的傳播光波進(jìn)入聲光晶體的方式對光波有何影響？

按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用長度的不同，聲光相互作用可以分為拉曼-納斯衍射和布喇格衍射兩種類型。超聲波頻率較低，光波垂直入射聲場傳播方向，聲光互作用長度L較短。

——拉曼—納斯衍射

超聲波頻率較高，光波傾斜入射聲場傳播方向，聲光互作用長度L較長。

——布拉格衍射

2.3光波在聲光晶體中的傳播2.3.1拉曼一納斯衍射產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件：

2.3.1拉曼一納斯衍射

由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光，這就是拉曼-納斯衍射的特點垂直入射情況2.3.1拉曼一納斯衍射設(shè)寬度為q的光波垂直入射寬度為L聲波柱，超聲波使介質(zhì)的應(yīng)變?yōu)椋簞t介質(zhì)的折射率：介質(zhì)折射率沿x方向的分布：

由于介質(zhì)折射率發(fā)生了周期性變化，所以會對入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制。2.3.1拉曼一納斯衍射設(shè)垂直入射的平面光波為：垂直入射情況則出射光波為：該出射波陣面被分裂為若干個子波源。則在聲場外P點處總的衍射光強是所有子波源貢獻(xiàn)的和，由下列積分決定:

2.3.1拉曼一納斯衍射聲場外P點處總的衍射光強：式中Jr(v)是r階貝塞爾函數(shù)；l=sin

。。①衍射光場強度各項取極大值的條件為：

？？2.3.1拉曼一納斯衍射②各級衍射的方位角和衍射光強分別為：由于

，故各級射光對稱地分布在零級衍射光兩側(cè)，且同級次衍射光的強度相等。

由于

，吸收時衍射光各級極值光強之和應(yīng)等于入射光強，即光功率是守恒的。由于光波與聲波場的作用，各級衍射光波將產(chǎn)生多普勒頻移，2.3.1拉曼一納斯衍射考慮到聲束的寬度，則當(dāng)光波傳播方向上聲束的寬度L滿足條件：才會產(chǎn)生多級衍射，否則從多級衍射過渡到單級衍射。2.3.2布喇格衍射產(chǎn)生布喇格衍射的條件：聲波頻率較高；光束與聲波波面間以一定的角度斜入射；聲光互作用長度L較長；介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。2.3.2布喇格衍射布喇格衍射的特點：當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時，介質(zhì)內(nèi)各級衍射光會相互干涉，衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級（或-1級）衍射光，這是布喇格衍射的特點。若能合理選擇參數(shù)，并使超聲場足夠強，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級(或一1級)衍射極值上。所以，利用布喇格衍射效應(yīng)制成的聲光器件可以獲得較高的效率。2.3.2布喇格衍射入射光1和2在B，C點反射的1

和2

同相位：由C，E點反射的2

，3

同相位：考慮到

：

B稱為布喇格角。只有入射角

i等于布喇格角

B時，在聲波面上衍射的光波才具有同相位，滿足相干加強的條件，得到衍射極值，上式稱為布喇格方程。布喇格方程——衍射方向2.3.2布喇格衍射布喇格衍射光強度與聲光材料特性和聲場強度的關(guān)系衍射光強當(dāng)入射光強為Ii時，布喇格聲光衍射的0級和1級衍射光強的表達(dá)式可分別寫成：：光波穿過長度為L

的超聲場產(chǎn)生的相位延遲。衍射效率：2.3.2布喇格衍射衍射光強

則：

2.3.2布喇格衍射衍射光強

是聲光介質(zhì)的物理參數(shù)組合，是由介質(zhì)本身性質(zhì)決定的量，稱為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)（或聲光優(yōu)質(zhì)指標(biāo)）：聲光介質(zhì)的主要指標(biāo)之一。①若Ps確定，要使衍射光強盡量大，則要求選擇M2大的材料，并要把換能器做成長而窄（即L大H?。┑男问剑虎诋?dāng)Ps足夠大，使達(dá)到

/2時，I1/Ii＝100%；③當(dāng)改變Ps時，I1/Ii也隨之改變，因而通過控制Ps（即控制加在電聲換能器上的電功率）就可以達(dá)到控制衍射光強的目的，實現(xiàn)聲光調(diào)制。本章內(nèi)容2.1光波在大氣中的傳播2.2光波在電光晶體中的傳播2.3光波在聲光晶體中的傳播2.4光波在磁光介質(zhì)中的傳播2.5光波在光纖波導(dǎo)中的傳播2.6光波在非線性介質(zhì)中的傳播2.7光波在水中的傳播2.4光波在磁光介質(zhì)中的傳播外加磁場作用所引起的材料的光學(xué)各向異性稱為磁光效應(yīng)，包括法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、克爾效應(yīng)、磁雙折射效應(yīng)等。這里僅限于介紹法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對傳播光束的影響。自然旋光：光振動面的左旋或右旋是由旋光物質(zhì)本身決定的，與光的傳播方向無關(guān)。磁致旋光：光振動面旋轉(zhuǎn)方向決定于施加的磁場方向，光沿逆向傳播，振動面旋向相反。2.4.1法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)

引進(jìn)等效介電系數(shù)張量當(dāng)磁場反向時，

的符號也要反號，即2.4.1法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)假設(shè)磁場沿z軸方向，取磁光介質(zhì)中傳播的平面波為式中l(wèi)x、ly、lz為光波矢的方向余弦。代入菲涅耳程，由系數(shù)行列式為零，得到射率n所滿所足的方程：描述磁光效應(yīng)的一般方程2.4.1法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)假設(shè)光波在立方晶體或各同性介質(zhì)中（）平行于磁化強度（z）方向（lx=ly=0，l=1）傳播，得：將上式代回菲涅耳方程得：可見Ez=0，即介質(zhì)中傳播的光波為橫波，相應(yīng)的傳播模式為右旋和左旋的兩個圓偏振光波：2.4.1法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)

這就是法拉第旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，

為磁致旋光率，與磁感應(yīng)強度B

成正比當(dāng)磁化強度較弱，B與H為線性關(guān)系，旋光率

與外加磁場強度在成正比：V稱為韋爾德（Verdet）常數(shù)，它表示在單位磁場強度下線偏振光波通過單位長度磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。2.4.1法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)磁致旋光方向和磁場的方向有關(guān)；當(dāng)光傳播方向與磁場方向平行時，正的V值相應(yīng)于左旋；當(dāng)光傳播方向與磁場方向相反時，表現(xiàn)為右旋。當(dāng)外磁場由螺管電流產(chǎn)生，則旋光方向總是和螺線繞向一致；幾乎全部抗磁體和多數(shù)順磁體都屬于這類材料；磁致旋光現(xiàn)象的這一性質(zhì)表明它是一種非可逆過程；當(dāng)光束往返通過介質(zhì)時，只要磁場方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個方向增大。2.4.2磁光相互作用的耦合波分析磁光現(xiàn)象的本質(zhì)是在外磁場擾動下光和材料的相互作用，利用非線性光學(xué)相互作用的耦合波理論對光束在磁光介質(zhì)中的傳播進(jìn)行分析。設(shè)平面光波沿z向傳播，可將光波電場寫成：忽略介質(zhì)損耗，得到一組耦合波方程：2.4.2磁光相互作用的耦合波分析磁光介質(zhì)中波的偏振態(tài)是空間位置坐標(biāo)的函數(shù)，z處的偏振態(tài)用復(fù)數(shù)表示為：偏振態(tài)是z的周期函數(shù)，周期為

/s。對于各向同性材料或立方晶體材料，n1=n2=n0

光輻射的傳播第二章本章內(nèi)容2.1光波在大氣中的傳播2.2光波在電光晶體中的傳播2.3光波在聲光晶體中的傳播2.4光波在磁光介質(zhì)中的傳播2.5光波在光纖波導(dǎo)中的傳播2.6光波在非線性介質(zhì)中的傳播2.7光波在水中的傳播日常所見光纖光纖結(jié)構(gòu)示意圖2.5光波在光纖波導(dǎo)中的傳播階躍光纖：折射率分層均勻分布，芯層折射率為

，包層折射率為

，且梯度光纖：芯層折射率沿徑向為漸變形式：2.5.1光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及弱導(dǎo)性光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)：對于階躍光纖，n1和n2分別為芯層和包層的折射率；對于梯度光纖，n1是指芯軸（r=0）處的折射率，n2為包層折射率。?。∪鯇?dǎo)條件，影響光纖的色散特性和耦合效率2.5.1光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及弱導(dǎo)性單模光纖和多模光纖2.5.1光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及弱導(dǎo)性2

m<a<5m0.8m<

<1.6m0.003<