光學(xué)與光子學(xué)概述

關(guān)于光學(xué)與光子學(xué)概述第1頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容一、關(guān)于光的認(rèn)識二、光輻射的電磁理論三、光的干涉四、光的衍射五、光的偏振六、光的吸收、散射和色散七、光在大氣中的傳播八、現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)

第2頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月一、關(guān)于光的認(rèn)識17世紀(jì)微粒說18世紀(jì)波動(dòng)說19世紀(jì)電磁波20世紀(jì)波粒二象性第3頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月二光輻射的電磁理論

光輻射是電磁波，它服從電磁場基本規(guī)律（麥克斯韋方程和介質(zhì)性能方程）。由于引起生理視覺效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)以及探測器對光頻段電磁波的響應(yīng)主要是電磁場量中的電矢量，因此，光輻射的電磁理論主要是應(yīng)用麥克斯韋方程求解光輻射場電矢量的變化規(guī)律。第4頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光輻射的波動(dòng)方程

在無源（ρ=0）非磁性介質(zhì)中，運(yùn)用麥克斯韋方程并經(jīng)一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算可以得到場量所滿足的微分方程：(1)這就是光輻射普遍形式的波動(dòng)方程。方程右邊兩項(xiàng)反映物質(zhì)對光輻射場量的影響，起“源”的作用，分別由極化電荷與傳導(dǎo)電流引起。第5頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月2、均勻介質(zhì)中的平面波和球面波

對于各向同性的無吸收介質(zhì)，為標(biāo)量，，利用矢量恒等式，亥姆霍茲方程可改寫為：(2)

(3)此方程平面波解的一般形式為

此方程球面波解的一般形式為(4)式k中為波矢量，0為初相。第6頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月3、電磁場的邊界條件

在光電子技術(shù)的許多實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常涉及在兩種或多種物理性質(zhì)不同的介質(zhì)交界面（在該處ε、μ發(fā)生突變）處光輻射場量之間的關(guān)系。這時(shí)，求解麥克斯韋方程需要考慮邊界條件。

如圖1所示，光輻射場的邊界條件可以直接由麥克斯韋方程推得：

(5)式中s為界面面電荷密度。第7頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月在光學(xué)波段經(jīng)常遇到的情況是s等于零，這時(shí)，界面兩側(cè)的切向分量以及的法向分量均連續(xù)。

EtEn1，1，12，2，2圖1界面上電場的法向和切向分量第8頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月三、光的干涉1.基本概念①光的電磁理論光是某一波段的電磁波，其速度就是電磁波的傳播速度；可見光在電磁波譜中只占很小的一部分，波長在390~760nm的狹窄范圍以內(nèi)。②相干條件頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定。③干涉的分類分波面干涉、分振幅干涉和分振動(dòng)面干涉。第9頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光的衍射1.基本概念①衍射定義光繞過障礙物偏離直線傳播而進(jìn)入幾何陰影，并在屏幕上出現(xiàn)光強(qiáng)分布不均勻的現(xiàn)象。②衍射條件障礙物的線度和光的波長可以比擬③衍射的分類a.菲涅耳衍射：近場、求和、點(diǎn)光源。b.夫瑯和費(fèi)衍射：遠(yuǎn)場、積分、平行光。第10頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月五、光的偏振⒈五種偏振態(tài)①自然光：透過理想偏振片后，光強(qiáng)變?yōu)樵瓉淼囊话?。②線偏振光：③部分偏振光：④圓偏振光：⑤橢圓偏振光：第11頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月六、光的吸收、散射和色散1.光的吸收：——朗伯定律。2.光的散射：——瑞利定律（天空、太陽、白云）

3.光的色散：第12頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月七光波在大氣中的傳播大氣激光通信、探測等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。

由于大氣構(gòu)成成分的復(fù)雜性以及收受天氣等因素影響的不穩(wěn)定性，光波在大氣中傳播時(shí)，大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散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的振幅和相位起伏；當(dāng)光波功率足夠大、持續(xù)時(shí)間極短時(shí)，非線性效應(yīng)也會影響光束的特性，因此有必要研究激光大氣傳播特性。

第13頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、大氣衰減

激光輻射在大氣中傳播時(shí)，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┎糠帜芰勘簧⑸涠x原來的傳播方向（即輻射能量空間重新分配）。吸收和散射的總效果使傳輸光輻射強(qiáng)度的衰減。

dI/I=(I-I)/I=dl

為大氣衰減系，在應(yīng)用中，衰減系數(shù)常用單位為（1/km）或（dB/km），二者之間的換算關(guān)系為：

(dB/km)=4.343(1/km)Idl圖2第14頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月上式積分后得大氣透過率：

(6)簡化為：(7)此即為描述大氣衰減的朗伯定律，表明光強(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。

第15頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月因?yàn)樗p系數(shù)描述了吸收和散射兩種獨(dú)立物理過程對傳播光輻射強(qiáng)度的影響，所以可表示為：

(8)

km和m分別為分子的吸收和散射系數(shù)；

ka和a分別大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。對大氣衰減的研究可歸結(jié)為對上述四個(gè)基本衰減參數(shù)的研究。

第16頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1）、大氣分子的吸收

光波在大氣中傳播時(shí)，大氣分子在光波電場的作用下產(chǎn)生極化，并以入射光的頻率作受迫振動(dòng)。所以為了克服大氣分子內(nèi)部阻力要消耗能量，表現(xiàn)為大氣分子的吸收。

分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)形態(tài)決定。極性分子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)一般有分子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)、組成分子的原子振動(dòng)以及分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng)組成。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)。由此，分子的吸收特性強(qiáng)烈的依賴于光波的頻率。

第17頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣中N2、O2分子雖然含量最多（約90%），但它們在可見光和紅外區(qū)幾乎不表現(xiàn)吸收，對遠(yuǎn)紅外和微波段才呈現(xiàn)出很大的吸收。在可見光和近紅外區(qū)，一般不考慮其吸收作用。大氣中除包含上述分子外，還包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，這些分子在可見光和近紅外有可觀的吸收譜線，但其大氣中的含量甚微，一般不考慮其吸收作用。只是在高空處，其它衰減因素都很弱時(shí)，才考慮它們吸收作用。

H2O和CO2分子，特別是H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)及純振動(dòng)結(jié)構(gòu)，是可見光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子，是晴天大氣光學(xué)衰減的主要因素，它們的一些主要吸收譜線的中心波長如表2-1所示。第18頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月表1：可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線吸收分子主要吸收譜線中心波長(m)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從表1不難看出，對某些特定的波長，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收，光波幾乎無法通過。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成八個(gè)區(qū)段，將透過率較高的波段稱為“大氣窗口”。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。目前常用的激光波長都處于這些窗口之內(nèi)。第19頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jì)性的偏離——密度起伏，破壞了大氣的光學(xué)均勻性，一部分光輻射光會向其他方向傳播，從而導(dǎo)致光在各個(gè)方向上的散射。在可見光（0.40-0.76m

）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。瑞利散射光的強(qiáng)度與波長的四次方成反比。

(9)

式中，m為瑞利散射系數(shù)（cm-l）；N為單位體積中的分子數(shù)（cm-1）；A為分子的散射截面（cm2）；為光波長（cm）。

第20頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于分子散射波長的四次方成反比。波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強(qiáng)烈。故可見光比紅外光散射強(qiáng)烈，藍(lán)光又比紅光散射強(qiáng)烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因?yàn)樗{(lán)光散射最強(qiáng)烈，故明朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色。

第21頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月2、大氣氣溶膠的衰減大氣氣溶膠的概念：大氣中有大量的粒度在0.03m到2000m之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，它們大致是塵埃、煙粒、微水滴、鹽粒以及有機(jī)微生物等。由于這些微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài)，所以通常又稱為大氣氣溶膠。氣溶膠對光波的衰減包括氣溶膠的散射和吸收。當(dāng)光的波長相當(dāng)于或小于散射粒子尺寸時(shí)，即產(chǎn)生米-德拜散射。米-德拜散射則主要依賴于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，與波長的關(guān)系遠(yuǎn)不如瑞利散射強(qiáng)烈（可以近似認(rèn)為與波長無關(guān)）。

第22頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月氣溶膠微粒的尺寸分布極其復(fù)雜，受天氣變化的影響也十分大，不同天氣類型的氣溶膠粒子的密度及線度的最大值列于表2中。表2霾、云和降水天氣的物理參數(shù)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)的云第23頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光子的基本特性愛因斯坦根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合普朗克能量子假說,提出了光量子理論:光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的光子流,光子和其它基本粒子一樣,具有能量、動(dòng)量和質(zhì)量。它的粒子屬性（能量、動(dòng)量、質(zhì)量等）和波動(dòng)屬性（頻率、波矢、偏振等）之間的關(guān)系滿足：八、

現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)第24頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)、光子具有兩種可能的獨(dú)立偏振態(tài)，對應(yīng)于光波場的兩個(gè)獨(dú)立偏振方向；(5)、光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)，是玻色子。（電子的自旋量子數(shù)為，是費(fèi)米子。）第25頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月2.原子發(fā)光機(jī)理①玻爾的氫原子模型：第26頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月Si(111)-7x7表面的原子力顯微鏡照片

第27頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月②原子發(fā)光機(jī)理受激吸收概率：為愛因斯坦吸收系數(shù),只與粒子本身的性質(zhì)有關(guān)。為輻射場能量密度為E1能級上的原子數(shù)密度,（a)受激吸收處于低能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，吸收一個(gè)光子，躍遷到高能級態(tài)。第28頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)自發(fā)輻射

光子能量：自發(fā)躍遷概率：單位時(shí)間、單位體積內(nèi)，上粒子的減少為：于是有：為自發(fā)輻射壽命。處于高能級態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級態(tài)，并同時(shí)向外輻射出一個(gè)光子（自發(fā)輻射只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場的無關(guān)）。第29頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

(c)受激輻射受激輻射的概率：稱為愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)。處于高能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，躍遷到低能級態(tài)，并同時(shí)輻射出一個(gè)與入射光子完全一樣的光子。受激輻射與自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于其相干性。第30頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光①定義：

由激光器產(chǎn)生的，波長在1mm以下的相干電磁輻射，它由物質(zhì)的粒子受激發(fā)射放大產(chǎn)生，具有良好的單色性、相干性和方向性。②含義：光受激輻射放大?！凹す狻薄癓aser”——“Lihgtamplificationbystimulatedemissionofradiation”.③原理：通過輻射的受激發(fā)射而實(shí)現(xiàn)光放大。第31頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月④特點(diǎn)：單色性佳：

頻寬：自然線寬：

多普勒寬度：譜線寬度：相干性強(qiáng)：

相干長度：△lH=c△tH。邁克耳孫干涉儀————光的時(shí)間相干性；楊氏實(shí)驗(yàn)——光源的空間相干性。方向性好：發(fā)散角小→亮度高、照度大。第32頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤種類：亦可按激光器工作方式、激勵(lì)方式及諧振腔等分?？傊?，不管怎樣分，每一類都包括許多激光器