光电子技术基础与应用 第二章 光学基础知识与光场传播规律 第二讲

1. 物理与微电子科学学院 光电子技术基础与应用 第二章 光学基础知识与光场传播规律 第二讲 School of Physics and Microelectronics Science 2012 年 02 月

2. 第二讲 1.2 1.3 1.4 1.1 光电子技术 光电子技术发展简史 信息光电子技术与器件 光电子技术应用 1 绪　　论（回顾第一讲内容）　

3. 光电子技术是光子技术与电子技术结合形成一门技术 光电子技术研究对象 光与物质中电子相互作用及能量相互转换相关技术， 是光波段电子技术 光波段（红外线、可见光、紫外线和软 X 射线）

4. 第一阶段光电探测器（光电信号接收）问世： • 内（外）光电效应发现，到出现光电管，再到温差型红外探测器和测辐射热计 第二阶段 激光器诞生及发展： • 1960年： • 梅曼研成世界第一台激光器——红宝石激光器。后，各种固、气、液、半导体激光器相继出现 第三阶段 低损耗光纤问世 • 1970年： • 美国研制损耗20dB/km石英光纤和室温连续工作激光二极管，光纤通信为现实，这一年公认“光纤通信元年”

5. 按信息传递各个环节划分　　　　 对应相应技术器件

6. 军事应用 • 激光器及应用 • CCD（电荷耦合）器件及应用 • 光纤技术及其应用 • 光存储 • 21世纪3T目标：传输速度 处理速度 存储速度 • 光纤通信——取得辉煌成就领域 • 光 计 算——努力方向 • 光 存 储——努力方向 • 光 传 感——部分方面取得实用成就

7. 讲授内容 11 6 3 光电探测技术（十一、十二讲） 激光原理与技术（三、四、五讲） 连续可调太赫兹超常材料宽带低损超吸收器（二十四讲） 第二讲 1 绪　　论（一讲） 2 光学基础知识与光场传播规律（二讲） 4 光波导技术基础（六、七讲） 5 光调制技术—光信息系统的信号加载与控制（七、八、十讲） 7 光电显示技术（十三、十四、十五讲） 光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲） 8 9 光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲） 10 表面等离子体共振现象与应用的探究（二十三讲）

8. 2.3 2.1 2.2 2.5 2.4 2.6 麦克斯韦方程 电解质 波动方程 光波的表示与传播特性 光波的表示与传播特性 光学基础知识 1 2 绪　　论　 光学基础知识与光场传播规律

9. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 微粒说 • 波动说 • 光的电磁理论 • 波粒二象性 • 微粒说： • 由光直线传播性质，牛顿1704年在《光学》提出光是微粒流理论。认为微粒从光源飞出，在真空或均匀物质内由惯性做匀速直线运动，解释光反射定律和折射定律； • 十七世纪开始，发现有与光直线传播不完全符合事实； • 格里玛第、胡克观察到衍射现象；

10. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 微粒说 • 波动说 • 光的电磁理论 • 波粒二象性 • 波动说： • 惠更斯1678年《论光》提出光在“以太”中传播的波，提出光波动次波原理，解释折射、反射定律，方解石双折射定律。没提到波长、相位； • 1815年，菲涅耳用杨氏干涉原理补充惠更斯原理，惠更斯——菲涅耳原理； • 1808年，马吕发现光在两种介质表面上反射时偏振现象； • 杨氏1817提出光是横波假设； • 菲涅耳完善这个观点导出菲涅耳公式； • 波动说理论： • 既解释光直线传播，光干涉、衍射现象， • 又解释光偏振现象；

11. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 微粒说 • 波动说 • 光的电磁理论 • 波粒二象性 • 光电磁理论关于光本性现代学说，说明光本质是电磁波理论及光与物质相互作用规律。 • 19世纪60年代麦克斯韦提出，把光看成 在某一范围电磁波。 • 能解释： • 光传播、干涉、衍射、散射、偏振现象，光还有粒子性，不能解释光电效应、康普顿效应物理现象。 • 内容涉及： • 光的电磁波性质、 • 单色平面波和球面波、 • 光源和光的辐射、 • 光在介质界面上的反射和折射、 • 全反射和隐失波、 • 光在金属表面的透射和反射、 • 光的吸收、 • 色散和散射、 • 单色光波的叠加和干涉、 • 不同频率光波的叠加、 • 复杂波的分解

12. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 微粒说 • 波动说 • 光的电磁理论 • 波粒二象性 • 波粒二象性： • 光电磁理论困难不能解释光和物质相互作用某些现象。 • 炽热黑体辐射中能量按 分布问题。特别是1887赫兹发现光电效应； • 1900年普朗克提出辐射量子理论 • 能量不连续 • 能量大小=h 整数倍 • 1905年爱因斯坦提出光量子理论（光子理论），解释光电效应。 • 光波动性：光干涉、衍射和偏振 • 光粒子性：黑体辐射、光电效应 • 光同时具波粒二象性 光电效应

13. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 折射、反射定律包括两方面的内容 • 全反射 折射、反射光位于入射光与界面法线决定平面内 折射率满足， 反射角=入射角 （临界角）

14. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 折射、反射定律包括两方面的内容 • 全反射 光从光密介质向光疏介质入射——n1>n2 入射角>临界角——1>c 2=90 n2 n1 折射 反射 入射光能量全部被界面反射回光密介质（光纤工作原理）

15. 独立性原理 • 叠加性 • 相干性（干涉） 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 波动三个特性——独立性，叠加性，相干性 • 独立性原理 • 两列光波在空间交叠，各自传播互不干扰，各自独立按照自己原来传播方向继续前进，彼此不受影响； • 是波独立传播定律； • 叠加性 • 波独立传播定律成立前提下，两列或多列波同时存在，它们交叠区域内每点振动是各列波单独在该点产生振动合成， • 是波叠加原理。

16. 独立性原理 • 叠加性 • 相干性（干涉） 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 两列波产生相干条件 •  相同 • 存在相互平行振动分量 • 位相差恒定 • 两个沿同一直线简谐振动， 相同，位相相同 • 叠加原理

17. 独立性原理 • 叠加性 • 相干性（干涉） 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 叠加原理 • 平均强度 • 位相差恒定， 与时间无关： 干涉项

18. 独立性原理 • 叠加性 • 相干性（干涉） 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 平均强度2-1与 t 无关 • 讨论： 干涉项 两振动位相相同 合振动平均强度最大值（干涉相长） 两振动位相相反 合振动平均强度最小（干涉相消）

19. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 光的衍射现象 • 惠更斯 − 菲涅尔原理 窗外说话，窗内人听见（声波）； 无线电波绕过山障碍物，山区能接收到电台广播（电磁波）； 光波照射不透明障碍物，形成影子（人）； 说明什么？

20. (1) 将波前上每个面元看做次波源； (2) 空间某点P振动是所有次波在该点相干叠加； 原理 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 光的衍射现象 • 惠更斯 − 菲涅尔原理 菲涅耳衍射（近场衍射） 夫琅和费衍射（远场衍射）

21. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 光的衍射现象 • 惠更斯 − 菲涅尔原理 菲涅耳衍射（近场衍射） 夫琅和费衍射（远场衍射） • 一束光射在一个小圆孔上，距孔1~2m放一块毛玻璃屏，观察小圆孔衍射花样。 • 点光源发出光通过圆屏边缘衍射现象。 O点光源，光路有不透明圆屏， 讨论P点振幅。

22. · * 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 光的衍射现象 • 惠更斯 − 菲涅尔原理 菲涅耳衍射（近场衍射） 夫琅和费衍射（远场衍射） • 夫琅和费单缝衍射装置及现象： 1.实验装置：(1) 单一小狭缝； (2) 满足夫琅和费条件； 2. 实验现象：(1) 衍射条纹成明暗相间对称分布； (2) 中间条纹又亮又宽，其余从中间向两边，亮度减小； (3) 衍射条纹与入射光、单缝宽度有关。

23. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 • 光的衍射现象 • 惠更斯 − 菲涅尔原理 例：图示，一波长 单色平面波沿与缝平面法线角方向射到宽a单缝AB上； 求：写出各级暗条纹对应衍射角 满足条件； 解：狭缝两边缘处，衍射角 两光光程差为： 暗纹 则

24. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 纵波：波振动方向和振动方向相同； 横波：波振动方向和振动方向垂直； 振动方向对于传播方向不对称性叫偏振。 由自然光得到偏振光过程称起偏，所用器件起偏器； 该器件用来检验某一束光是否为偏振光，称检偏器。 • 光偏振态包括： • 自然光， • 线偏振光， • 部分偏振光， • 圆偏振光和 • 椭圆偏振光；

25. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 自然光 自然光在⊥光传播方向平面沿各方向振动矢量都有，各方向概率相等随机分布； 线偏振光 光矢量只沿某一固定方向振动光为线偏振光。偏振光振动方向与传播方向组成平面称振动面； 部分偏振光 部分偏振光在⊥光传播方向平面内沿各方向振动的光矢量都有，振幅不对称， 某一方向振动较强，与它⊥方向振动弱； 圆偏振光 光矢量端点在⊥光传播方向截面内描绘出圆形轨迹； 椭圆偏振光 光矢量端点在⊥光传播方向截面内描绘出椭圆轨迹。

26. 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉 2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 自然光 光路插入检偏器，屏上光强减半，检偏器旋转，屏上亮暗无变化 线偏振光 检偏器旋转一周，光强两强两弱，自然光经过起偏器转变成线偏振光 部分偏振光 检偏器旋转一周，屏上光强两强两弱 圆偏振光 检偏器旋转一周，光强无变化 椭圆偏振光 检偏器旋转一周，光强两强两弱

27. (1) 麦克斯韦微分方程 麦克斯韦方程组是麦克斯韦把稳定电磁场（静电场和稳恒电流的磁场）基本规律推广到不稳定电磁场普通情况得到的。 1 2 3 4 D 电位移矢量 J 电流密度矢量 P 电极化强度  电荷密度 • 电场强度旋度=该点处磁感强度变化率负值 • 磁场强度旋度=该点处传导电流密度与位移电流密度矢量和 • 电位移散度=该点处自由电荷体密度 • 磁感强度散度处处为零

28. (2) 物质方程 描述物质在场作用下特性的关系式。  介电常（或电容率）=r0  磁导率，非铁磁物质=0  电导率 J 电流密度 Js 面电流 密度 • 给出媒质电学和磁学性质，是光与物质相互作用时媒质中大量分子平均作用结果。 • 麦克斯韦方程组和物质方程组成一组完整方程组，用于描述时变场情况电磁场普遍规律。

29. 线性特性 • 非色散特性 • 均匀性 • 各向同性 • 空间非色散性 2.3.1 电介质的特性 2.3.2 电介质的分类 形成宏观束缚电荷现象称电极化； 能产生电极化物质称电介质。 极化强度： 介质折射率： 关系不同，介质呈不同特性： • 线性关系， 常数（磁化率）； • t时刻 只与此刻 有关，与前面时刻 无关； • 关系与位置无关，任何一处 都是常数； • 关系与矢量 取向无关，此时 平行； • 某一位置r处P与该位置E有关，与其它位置处E无关。 • 线性特性 • 非色散特性 • 均匀性 • 各向同性 • 空间非色散性

30. 简单电解质 • 非均匀介质 • 各向异性介质 • 非线性介质 • 色散介质 2.3.1 电介质的特性 2.3.2 电介质的分类 • 简单电介质 • 线性，非色散，均匀，各向同性； • 非均匀介质 • 只是非均匀， 关系与r 有关，不同r 处 不同，n 不同； • 各向异性介质 • P与E方向不一致。P与E关系与E取向有关。不同方向极化率不同，折射率不同。这种介质中某些方向易极化，另一些难极化； • 非线性介质 • P与E关系不只与E一次项有关，与它高次项有关； • 色散介质 • 极化响应不是即时的，与前一时刻E有关。

31. 波动方程（麦克斯韦微分方程） D 电位移矢量 J 电流密度矢量 P 电极化强度  电荷密度 物质方程  介电常=r0  磁导率，非铁磁物质=0  电导率 J 电流密度 把(b)带入(1)得 两边取旋度 左端利用矢量运算 右端把(2)和(c)带入得

32. 2.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程 波动方程 物质方程 麦克斯韦微分方程 线性，非色散，均匀，各向同性电介质 电场方程 阻尼项 波动方程 同样得磁场方程 磁场方程

33. 2.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程 • 不导电介质中有源波动方程 • 不导电介质中无源波动方程 • 有源扩散方程 • 无源扩散方程 • 恒定场 波动方程 • 有源波动方程 • 无源波动方程 电导率（电荷密度, 电流密度J不为0） 场辐射来源 于源激励 （电荷密度、电流密度 J=0） 电荷密度

34. 2.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程 • 不导电介质中有源波动方程 • 不导电介质中无源波动方程 • 有源扩散方程 • 无源扩散方程 • 恒定场 波动方程 • 有源扩散方程 • 无源扩散方程 （电导率, 电荷密度, 电流密度J不为0） 系统为低频缓变电磁场 （电导率≠0, 电荷密度、电流密度 J=0）

35. 不导电介质中有源波动方程 • 不导电介质中无源波动方程 • 有源扩散方程 • 无源扩散方程 • 恒定场 2.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程 波动方程 • 恒定场 不随时间变化场

36. 高频低电导有源时 • 高频低电导无源时 • 导电介质中的无源波动方程 • 缓变无源场 2.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程 波动方程 时谐条件 有 ，过程略 • 此处频域E，H是与t无关量，时域场波动方程中E，H与t有关 • 高频低电导有源时，

37. 高频低电导有源时 • 高频低电导无源时 • 导电介质中的无源波动方程 • 缓变无源场 2.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程 波动方程 • 高频低电导无源时 • 导电介质中无源波动方程 •  不可忽视 • 缓变无源场 >>

38. 2.5.1 光波的电磁表示 2.5.2 边界条件及光在简单电介质界面上的反射和折射 • 平面波 等相面（波前）是平面 • 球面波 等相面是球面 • 柱面波 等相面为圆柱形 • 抛物面波 复杂 k 波矢，r 传播方向距离

39. 2.5.1 光波的电磁表示 2.5.2 边界条件及光在简单电介质界面上的反射和折射 边界连续条件  自由电荷面密度  自由电荷线密度 s, Js电荷面密度和面I 密度，n 法线方向，t 切线方向， s, Js为0，Dn, Ht 在界面连续。

40. 2.6.1 高斯光束 2.6.2 高斯光束的性质 • 高斯光束是波动方程一特解，非均匀波，许多方面类似平面波。强度分布不均匀，集中在传播轴附近。 • 等相面弯曲。等相面上光场振幅分布是非均匀高斯分布。 • 特点（旁轴情况） • 非均匀高斯球面波 • 传播过程曲率中心不断改变 • 振幅分布在横截面内为高斯分布 • 强度集中在轴线及附近 • 等相面保持球面

41. 振幅分布及光斑半径，束腰半径 • 高斯光束的等相面 • 瑞利距离 • 远场发射角 2.6.1 高斯光束 2.5.2 高斯光束的性质 高斯光束在任一 z 处，横向振幅为高斯分布，光斑半径随 z 坐标变化； 光斑半径：场振幅以高斯函数 形式从中心（传播轴线）向外平滑减小。振幅减小到中心值 1/e 处 r 定义为光斑半径。 光斑半径随坐标 z 按双曲线规律扩展。 z=0 处 (0)=0 有最小值， 束腰半径。

42. 振幅分布及光斑半径，束腰半径 • 高斯光束的等相面 • 瑞利距离 • 远场发射角 2.6.1 高斯光束 2.5.2 高斯光束的性质 近轴，高斯光束等相面以 R(z) 为半径球面 z=0， R(z)→∞，等相面在束腰处为平面，曲率半径中心在无穷远处 z=±∞，R(z)→∞，等相面在无穷远处为平面，曲率半径中心在束腰处 z=±z0， R(z)=2z0，达极小值 z>>z0， R(z)→z，远场处可将高斯光束近似为由 z=0 发出半径为 z 球面波

43. 振幅分布及光斑半径，束腰半径 • 高斯光束的等相面 • 瑞利距离 • 远场发射角 2.6.1 高斯光束 2.5.2 高斯光束的性质 |z|=z0时， ，光斑从0增大到 ，这个范围是瑞利范围。 从最小光斑处算起这个长度 z0 称瑞利长度。 z=±z0范围为高斯光束准直距离，这个范围内高斯光束近似为平行。

44. 振幅分布及光斑半径，束腰半径 • 高斯光束的等相面 • 瑞利距离 • 远场发射角 2.6.1 高斯光束 2.5.2 高斯光束的性质 瑞利范围外，高斯光束迅速发散。 高斯光束远场发散角（半角）定义为 z→∞ 时高斯光束振幅减小到中心最大值1/e 处与 z 轴交角，即

45. 第二章复习思考题(1) • 填空题： • 光的基本属性是，光粒子性的典型现象有、以及、等。光波动性的典型体现有、、等。 • 两束光相干的条件是、、，最典型的干涉装置有、。两束光相长干涉的条件是。 • 两列平面简谐波振幅分别为E01、E02，位相差为，则其相干涉光强为，两列波干涉相长的条件为。 • 波长的光经过孔径D的小孔在焦距f处的衍射爱里斑半径为。 • 在玻璃（ ）上涂一种透明的介质膜以消除红外线（＝0.75m）的反射。 • 求该介质膜应有的介电常数及厚度。 • 如紫外线(＝0.42m)垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？ • 有两个具有共轭复幅值的单色波，具有相同的频率，其幅值分别为U(r)及U*(r) 。比较它们的强度、波前和波前法线。以平面波U(r)=Aexp[-Jk(x+y)/ ]与球面波U(r)=(A/r)exp[-jkr]为例。 、

46. 第二章复习思考题(2) • 光束垂直投射在无限大不透明屏的环状小孔（半径为a和b，a>>b）上，发生夫琅和费衍射，求光强度dI的角分布。 • 一束波长为0.5m的光波以45°角从空气入射到电极化率为2＋j0.6的介质面上，求 • 此光波在介质中的方向（折射角）。 • 光波在介质中的衰减系数。 • 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5％？ • 有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角投射至反射面。设每一反射平面仅反射一小部分光，大部分光仅透射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明当sin=/2d时，合成的反射波强度达到最大值，这一角度称为Bragg角。 • 从麦克斯韦通式(2-28)出发，推导波动方程(2-44)。

47. School of Physics and Microelectronics Science Thank You !