第二章光纖通信的物理學(xué)知識(shí)

第二章光纖通信的物理學(xué)知識(shí)第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月思考天空為什么是藍(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原因?第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)，將會(huì)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)。第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月光的折射定律：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)的絕對(duì)折射率第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月光的全反射：如果光是從光密媒質(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(shí)，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(shí)，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)鞑ィ@時(shí)的入射角叫臨界角。如果入射角大過臨界角，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。第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月全反射發(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第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3波動(dòng)光學(xué)以光的直線傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)，略去了光的波動(dòng)性，屬幾何光學(xué)范疇．波動(dòng)光學(xué)，它的主要特點(diǎn)是將光視為電磁波，用波動(dòng)理論來研究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(dòng)過程所特有的三種現(xiàn)象，第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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解釋光的傳播、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。可見光是光波中很小的一個(gè)成員，其實(shí)質(zhì)是一種電磁波。如果把電磁波按照其波長(zhǎng)或頻率有順序地排列起來，就得到電磁波譜。人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的可見光有不同的感受靈敏度。為人眼最敏感的黃、綠色第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月光波是橫波，在光波中，產(chǎn)生膠片感光或眼睛生理作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E，因此在光學(xué)中稱之為光矢量，電量的振動(dòng)為光振動(dòng)，并且用E來表述光波。第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2光的干涉何謂光的干涉？光的干涉產(chǎn)生的條件？普通光能否產(chǎn)生光的干涉？為什么？光的干涉規(guī)律是什么?第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2光的干涉兩個(gè)光源所發(fā)出的光波在空間疊加的結(jié)果，一般是強(qiáng)度均勻相加的。但是在一定條件下，兩個(gè)光波在空間的疊加會(huì)形成明暗不均的現(xiàn)象。如果這兩個(gè)光波是白色自然光，則疊加區(qū)域會(huì)產(chǎn)生五顏六色的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象表明了光的一種重要波動(dòng)特性，即干涉特性。第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月光的干涉條件相干光：頻率相同、振動(dòng)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：激光第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月光的干涉規(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(shí)，對(duì)干涉加強(qiáng)(亮紋)和減弱(暗紋)條件起決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。第13頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)透鏡不產(chǎn)生附加的光程差光經(jīng)過透鏡折射后，改變了原來的傳播方向。但是在觀察干涉現(xiàn)象時(shí)，使用透鏡并不會(huì)引起附加的光程差。具有相同光程的原因可簡(jiǎn)單地理解為：幾何路程長(zhǎng)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(zhǎng)兒何路程短的光線在遠(yuǎn)貿(mào)中的行程長(zhǎng)。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。第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

(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(shí)，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(gè)波長(zhǎng)，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。第15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月例：空氣中的水平肥皂厚度d＝0.32um，折射率n2＝1.33，如果白光照射時(shí)，肥皂膜呈現(xiàn)什么色彩？課后習(xí)題2.3第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3光的衍射在一定條件下，光能夠繞過障礙物改變傳播方向的現(xiàn)象稱為衍射。惠更斯—菲涅爾原理可以這樣表述：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(shí)，也可以相互量加而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月半波帶分析法:N=asinФ/λ/2當(dāng)N為奇數(shù)時(shí),為明點(diǎn);當(dāng)N為偶數(shù)時(shí),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中央明紋第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月單縫衍射單縫衍射：菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射。單縫衍射條紋特征：?jiǎn)慰p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(duì)稱地分布于中央明紋兩側(cè)；明紋亮度不均勻，中央明紋最亮，其他各明紋的亮度將隨著級(jí)數(shù)的增高而逐步減弱第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月衍射與波長(zhǎng)，縫寬的關(guān)系a一定，同一級(jí)條紋,λ↑,Ф↑

,反之λ

↓，Ф↓,用白光作衍射光，中央明紋為白色，其他條紋為彩色；Λ一定，同一級(jí)條紋，a↑，Ф↓，縫越細(xì)，條紋越明顯，最大衍射角90度a↑，Ф↓縫寬到一定程度，無衍射現(xiàn)象，傳播光線為直線傳播第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月光柵衍射為了提高測(cè)量精度，必須提供一種又亮又窄、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，它是近代物理實(shí)驗(yàn)中時(shí)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。

第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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基本概念第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月光柵的衍射圖樣設(shè)光柵的每個(gè)縫寬均為a，在夫瑯禾費(fèi)衍射下，每個(gè)縫的衍射圖樣位置是相重疊的。不考慮衍射時(shí),多縫干涉的光強(qiáng)分布圖：sin

N2sin2N

/sin2

04-8-48(

/d)多光束干涉光強(qiáng)曲線光柵衍射第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jí)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化。光柵衍射第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月sin

0I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sin

N2sin2N

/sin2

04-8-48(

/d)多光束干涉光強(qiáng)曲線光柵衍射第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4光的偏振光波是一種橫波，即電場(chǎng)強(qiáng)度矢量、磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量均垂直于波速矢量。光波的這一特性不能根據(jù)干涉與衍射實(shí)驗(yàn)推出，然而它卻是光的波動(dòng)性的另一重要表現(xiàn)。自然光為非偏振光；如果采用某種裝置只允許一個(gè)方向的光振動(dòng)通過，則可得到線偏振光。線偏振光也稱為完全偏振光。如果采用的裝置能減弱某個(gè)方向上的光振動(dòng)，則可得到部分煽振光。部分偏振光也稱為橢圓偏振光第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月§1光的偏振狀態(tài)一.線偏振光：光矢量只沿一個(gè)固定的方向振動(dòng)E播傳方向振動(dòng)面·面對(duì)光的傳播方向看線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解：EEyEx

yx

第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月線偏振光的表示法：·····光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)平行板面二.自然光沒有優(yōu)勢(shì)方向自然光的分解一束自然光可分解為兩束振動(dòng)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：···第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月三、部分偏振光:某一方向的振動(dòng)比其它方向占優(yōu)勢(shì)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(dòng)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(dòng)較強(qiáng)垂直板面光振動(dòng)較強(qiáng)··第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月四.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第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月§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(duì)稱性偏振片：強(qiáng)烈吸收某一方向的光振動(dòng)，而對(duì)與之垂直的另一方向的光振動(dòng)幾乎不吸收利用偏振片可起偏，亦可檢偏。起偏：從自然光獲得偏振光起偏器:起偏的光學(xué)器件第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月自然光I0線偏振光IP偏振化方向(透振方向)二.馬呂斯定律

I0IPPE0

E=E0cos

偏振片的起偏

馬呂斯定律（1809）——消光···第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月三.檢偏用偏振器件分析、檢驗(yàn)光的偏振態(tài)I?P待檢光思考：I不變

？是什么光I變，有消光

？是什么光I變，無消光

？是什么光第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月四、布儒斯特定律一.反射和折射時(shí)光的偏振i=i0時(shí)，反射光只有S分量，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···根據(jù)折射定律：最后推得：第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月布儒斯特定律

1812年，布儒斯特在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：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(shí)，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：布儒斯特角第35頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(shí)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)算第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月§4光在晶體中的傳播,雙折射···

方解石oee

o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光折射線也不一定在入射面內(nèi)。···IIeI0偏振光入射：

自然光入射：

第37頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.晶體的光軸當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)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(gè)光軸的晶體。雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體。第38頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4光的吸收色散和散射光的吸收、色散、散射都是光波與物質(zhì)的相互作用過程。1光的吸收(1)吸收的線性規(guī)律光的吸收是指光波通過介質(zhì)后，光強(qiáng)減弱現(xiàn)象。吸收的線性規(guī)律為：

I=I0e-αz第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)光的吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系

物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光具有選擇吸收性在無線通信中，就要考慮大氣對(duì)電磁波的吸收問題。光纖對(duì)于某種波長(zhǎng)的光波也具有強(qiáng)烈的選擇吸收性(3)吸收光譜

光的吸收和光波的波長(zhǎng)有關(guān)，吸收隨光波波長(zhǎng)的變化就構(gòu)成吸收光譜。思考：為什么物體顯示顏色？第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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(zhǎng)λ變化的現(xiàn)象

(2)正常色散介質(zhì)的折射率n是隨波長(zhǎng)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(zhǎng)λ的增加而增加，與正常色散正好相反。第41頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3散射(1)光的散射

當(dāng)光通過不均勻介質(zhì)時(shí)，會(huì)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。第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5激光原理Laser:Light

Amplification

byStimulatedEmissionofRadiationlight:光

amplification:放大、增強(qiáng)

stimulate：刺激、激發(fā)emission：發(fā)射、放射

radiation：輻射第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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(tái)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(gè)主要過程：自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射第44頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月激光輻射躍遷：受激吸收；自發(fā)輻射；受激輻射第45頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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，激光的頻譜寬度非常窄相干性：時(shí)間相干性和空間相干性都很好方向性：普通光向四面八方輻射，而激光基本沿某一直線傳播，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)的輸出功率特別大第46頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2激光的形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布要獲得光放大，就必須有高能級(jí)粒子數(shù)N2大于低能級(jí)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)，必須具備下述條件：要有激活介質(zhì)或增益介質(zhì)。其次，要有激勵(lì)或稱為泵浦。第47頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月激光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光原理就是要研究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！第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器的組成(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)是激光器的核心第49頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月諧振腔的作用：模式選擇、提供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(duì)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。根據(jù)實(shí)際情況選用穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔或臨界穩(wěn)定腔2、諧振腔第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月泵浦系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供外界能量(Apumpingprocessisrequiredtoexciteatomsinthelasermediumintotheirhigherquantum-mechanicalenergylevels.)Practicallasermaterialscanbepumpedinmanyways.光激勵(lì)---用光照射工作物質(zhì)，工作物質(zhì)吸收光能后產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可采用高效率、高強(qiáng)度的發(fā)光燈、太陽能和激光放電激勵(lì)---在放電過程中，氣體分子（或原子，離子）與被電場(chǎng)加速的電子碰撞，吸收電子能量后躍遷到高能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3、泵浦系統(tǒng)—粒子搬遷的動(dòng)力第51頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月熱能激勵(lì)---用高溫加熱方式使高能級(jí)上氣體粒子數(shù)增加，然后突然降低氣溫度，因高、低能級(jí)的熱馳豫時(shí)間不同，可使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)化學(xué)能激勵(lì)——利用化學(xué)應(yīng)過程中釋放的能量來激勵(lì)粒子，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，一般還需采用一定的引發(fā)措施，如采用光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等方式核能激勵(lì)——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(lì)工作物質(zhì)，也可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第52頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月工作物質(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