第2章-光学概要课件

1、第2章 光学概要 本章讲述经典光学中与光纤通信相关的基本概念。本章的主要题材是射线理论和关于透镜的聚焦、对光束的准直和成像，以及对光的收集特性等。这些知识可以用于解决光源与光纤耦合，以及一根光纤与另一根光纤之间的耦合问题。2.1 射线理论及其应用2.2 透镜 2.3 成像2.4 数值孔径2.5 衍射2.6 总结和讨论2.1 射线理论及其应用射线理论又称为几何光学，射线遵循的规则：1、真空中，射线的传播速率为c，在其他媒质中，射线传播的速度要低一些，设为v，则石英玻璃的典型折射率约为1.5，更精确的值在1.451.48之间。折射率会随着环境参数（如温度和波长）的不同而变化。2.1 射线理论及其应

2、用射线理论又称为几何光学，射线遵循的规则：2、射线在均匀媒质中沿直线路径传播，除非媒质的折射率发生变化，射线才会偏斜。3、遵循反射定理。4、有光能量穿过边界时，透射射线的方向有斯涅耳定律给出，即2.1 射线理论及其应用图2.2 正弦函数曲线2.1 射线理论及其应用图2.3 投射到玻璃光纤端面的射线发生的弯折图2.4 n1n2时，射线偏离法线方向，折向分界面2.1 射线理论及其应用图2.5 在通过一个平行的玻璃面板以后，射线方向不发生改变2.2 透镜光纤的测试：可以通过在光纤中传送可见光来测试光纤。最简单的测试项目：光纤断点、物理损伤、光的泄漏、裸光纤的裂纹或不均匀性。测试方法：用气体激光器作为

3、光源，其输出光束直径在毫米量级，可以用透镜将光束聚焦到光纤端面。在透镜厚度很小的条件下，射线透过时产生的位移可以忽略，这种透镜称为薄透镜。概念：准直光束、焦点、焦距、焦平面透镜可以看做是由两个玻璃球的球冠连接在一起构成，假设球面的半径（曲率半径）分别为R1和R2，透镜的直径为D，折射率为n，则有短焦距透镜很难设计，因为要求镜面的曲率半径很小，从而透镜也要做得很小。考虑由一个完整玻璃球形成的透镜，这种设计可以得到最小焦距，已知D，则有R1=R2=D/2，则有短焦距需要小的透镜直径，这样的透镜有严重的色差，从而使焦点变得相当模糊。为了实现良好的耦合，聚集区域尺寸小于纤心尺寸即可。2.2 透镜图2.

4、7 离轴光束的聚焦图2.8 准直发散光束图2.9 准直来自点光源的离轴光束2.2 透镜图2.10 透过薄透镜的射线路径柱透镜：表面相当于一段短截柱面，是球面透镜的一维形态。柱透镜对位于焦线上的点光源，从透镜出来的光在竖直方向被准直，在水平方向被扩展。柱透镜在光纤光学具有重要意义，因为半导体激光器和LED发散的光通常是非对称的。柱透镜可以降低两个方向中发散角较大的方向上光束的发散性，从而使光束更为对称。图2.11 柱透镜图2.12 线光源的准直图2.13 点光源和柱透镜（a）侧视图；（b）顶视图图2.14 （a）非对称光源发出的射线经柱透镜准直侧视图；（b）侧视图；（c）顶视图渐变折射率棒柱透镜

5、（GRIN棒透镜是现代技术的新成果，在光纤系统中以多种方式得到了应用。在聚焦与准直的性能上与传统球面透镜相同，可用于成像、实现短焦距，形成短的、实心的光结构，因而备受关注。节距P图2.15 渐变折射率棒2.2 透镜图2.16 准直光纤末端发出的射线。（a）使用常规透镜；（b）使用GRIN棒透镜2.2 透镜成像原理薄透镜方程：放大倍数M：定义为像的尺寸和物体尺寸的比值图2.17 薄透镜成像原理2.3 成像方程2.7的解可用图2.18中的曲线表示。要使放大倍数大于1，则物体位置的范围为：图2.18 放大倍数作为物体位置的函数2.3 成像通过透镜耦合进光纤，最重要的是掌握射线传播的角度。根据成像方程

6、，可得到物点、像点对透镜张角之间的关系为如果角度很小，可以用角度本身代替式（2.9）中的正切函数，得到图2.19 成像引起的角度变化由式（2.10）可知，通过透镜成像来放大物体的尺寸会伴随着光束张角的减小。从一个物体发出的光线很容易通过透镜成像方法来实现准直。由于半导体激光器和LED都以较大的角度辐射，而光纤只能收集小角度的射线，所以采用透镜能够提高耦合效率。图2.20 实现表示正切函数曲线，虚线表示近似关系如何与大于光纤尺寸的光源耦合是个重要问题。我们试图通过透镜成像来缩小光源的大小（即M1），则由式（2.10）可知会增加光束的张角，而光纤不可能接收超过某个确定的角度范围以外的射线。2.3

7、成像光学系统的一个重要参数是其收集在一定角度范围的入射光线的能力。由图可知，最大接收角有下式确定：2.4 数值孔径由图可知，最大接收角有下式确定：由于接收机具有圆对称性，因此可以检测到在半锥角为的锥形区域入射的光。数值孔径（NA）则定义为： n0是透镜和光检测器之间的材料的折射率。由式（2.12）定义的数值孔径适用于包括光纤在内的所有光学收集系统。在收集锥以外入射的光线在光纤中衰减很快，不可能传播。低NA对应于小接收角，将光耦合进低NA光纤比高NA光纤更为困难（对机械对准更为敏感），效率更低。可以用透镜降低光束张角，提高耦合效率。图2.22 光纤只能接收在半锥角为的锥形区域中入射的光线通常，长

8、距离传输光纤的数值孔径值设计在0.10.3范围内，低NA光纤耦合效率很低，但可以改善其传输带宽。在短距离通信中，塑料光纤可能比玻璃光纤更为实用，其NA设计得较大（典型值为0.40.5），可以提高耦合效率，部分抵消其高传播损耗。2.4 数值孔径图2.23 数值孔径和接收角的关系曲线（NA=sin）在一些光学实验中，几何光学（射线理论）可以正确指出粗略结果，但所得的结果与可以观察到的细节不能很好地吻合。而在其他实验中，甚至会出现明显的错误。这种情况下，需要用基于光的波动性。基于光的波动性的理论称为衍射光学或物理光学。2.5 衍射定义几个术语：横平面、光束的功率和强度、均匀光束图2.6 一束准直的均

9、匀光束为透镜所聚焦的情形图2.10 (a)根据衍射理论和实验，一束均匀光束经过透镜聚焦后的结果；(b)焦平面上的光强2.5 衍射图2.6为准直的均匀光束为透镜所聚焦的情形。衍射理论和较仔细的实验表明，光束不是汇聚在一个点上，而是汇聚到一个中心光斑和环绕它的一系列强度递减的环形带上。中心光斑的直径为：如果光斑尺寸大于光纤纤芯或波导薄膜的尺寸，必须用衍射理论才能更好加以解释。图2.25 将光束聚焦到细光纤的端面上，可能导致耦合效率低下实际光源通常发散非均匀光束，高斯分布是最为重要的横平面分布模式。绝大多数气体激光器和一些特殊设计的半导体激光器的辐射方向图与此分布吻合。极细的光纤内（直径只有几微米）

10、也同样有特定的光场分布。光斑半径定义为光的强度降低到峰值I0的1/e2的点与中心之间的距离，及光斑尺寸刚好是w。图2.26 归一化的高斯强度分布如图2.27，假设用透镜聚焦一束高斯光束，则在焦平面上产生的光分布仍然是高斯形状的，没有类似于聚焦均匀光束时出现的环。焦平面上光斑尺寸为：其强度分布为图2.27 (a)聚焦高斯光束;(b)焦平面上出现的光斑经聚焦得到的高斯光斑尺寸与聚焦均匀光束得到的中心光斑的尺寸没有大的差别。定义聚焦光斑直径为d=2w0，入射光束光斑直径为D=2w，可以得到结论：入射光束的形状并不随光的集中程度而有很大的变化。图2.27 (a)聚焦高斯光束;(b)焦平面上出现的光斑在

11、准直光束时，需要对射线理论做纠正。图2.28中，一个小光源位于透镜的焦点上。由射线理论可知，从透镜出射的将是平行光。如果光强呈高斯分布，则透镜右侧光束的强度分布为I=I0exp(-2r2/w2)。如果观察范围局限于透镜附近，则由衍射理论得到的结果与由几何光学得到的准直情况相符。对于较远的距离，衍射理论的结果表明光束将会按一个确定的角度发散，此发散角为：图2.28 高斯光束的准直图2.28 高斯光束的准直2.5 衍射图2.28 高斯光束的准直2.5 衍射辐射场方向图函数为I=I0exp(-2r2/w02)。 其中： 类比：在式（2.17）表明，当光斑尺寸远大于波长时，发散角很小。如果波长很短，则

12、容易满足这个条件。一个射频发射天线的光学模拟如图2.28所示。如果天线的最大线度在2w量级，式（2.17）可以定性地用于分析射频天线。一般说来，对于以任何波长辐射的光束，其发散角都与以波长来量度的辐射器尺寸成反比。图2.28 高斯光束的准直发散窄波束的发射器用波长量度的尺寸非常大。在射频频段，这样的天线非常庞大。由于光波的波长很短，因此可以得出这样的结论：采用光传输可以提供极窄的、方向性极好的光束。图2.28 高斯光束的准直一个大气光通信系统的组成如图2.29所示。经过长距离传输，光束发散严重，在接收机处光斑远大于接收透镜本身，损失大部分能量。大气光通信系统的另一个问题是线路传输损耗严重依赖于

13、天气。在一个中空的管道中发送光束可以克服天气的问题。将窄光束限制在短管道中传输，使其不受环境的影响是现实的，在一个很短的距离内光束不会有明显的扩散。图2.29 大气传输线路2.6 总结和讨论首先，列出本章已讨论过的主要知识点。其次，列出讨论过程中引进的新课题。1.射线在媒质中的传播速度取决于材料的折射率n。2.在不同煤质分界处，透射射线的传播方向遵循斯涅耳定律。3.透镜可以聚焦和准直光束，根据射线角度的变化在透镜的一侧可以形成放大的倒立的像。4.GRIN棒透镜能够实现与传统的球面透镜相同的功能。对于光纤系统，紧凑的结构和短焦距特性使其更有吸引力。5.包括光纤在内的光学系统，只能接收在一个有限的

14、角度范围内入射的射线。2.6 总结和讨论6.衍射理论告诉我们，光不可能聚焦到一个无限小的点上，也不可能被理想地准直。这个结论首先用于处理将光耦合进极细光纤的聚焦问题，其次是用于构建非导引的光通信系统。7.在激光和光纤系统中经常出现高斯光强度分布，我们应该熟悉这种分布模式。8.大气光通信系统是完全可以实用的。在短距离、而且没有障碍物的范围内，大气光通信系统可能比导引光系统更为适宜。对于远距离传输，在无法铺设波导传输线的条件下（如卫星之间的通信），采用这种通信方式有可能提供可行的系统。但是一般说来，与非导引光系统相比，光纤通信系统有更多的应用领域。下面列出一些新的课题，将在以后各章中讨论：光束在光

15、纤中的传播性质。在无界媒质中，光的传播速度由式（2.1）确定。在不同媒质的分界面上，定量描述光的透射和反射。如何设计透镜系统，以便更为有效地将光源发出的光耦合进光纤，或者是光纤之间的耦合，如何计算最终的效率。如何设计GRIN棒透镜，何种特殊器件需要含有这种透镜。为什么光纤不能接收所有角度入射的光线，如何计算光纤的数值孔径，耦合效率与NA有何种依赖关系。在设计和评估诸如耦合器、连接器和复用器等器件时，这些课题是很重要的。研究这些课题还将帮助我们理解光纤是如何导光的。11醉翁亭记 1反复朗读并背诵课文，培养文言语感。2结合注释疏通文义，了解文本内容，掌握文本写作思路。3把握文章的艺术特色，理解虚词

16、在文中的作用。4体会作者的思想感情，理解作者的政治理想。一、导入新课范仲淹因参与改革被贬，于庆历六年写下岳阳楼记，寄托自己“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的政治理想。实际上，这次改革，受到贬谪的除了范仲淹和滕子京之外，还有范仲淹改革的另一位支持者北宋大文学家、史学家欧阳修。他于庆历五年被贬谪到滁州，也就是今天的安徽省滁州市。也是在此期间，欧阳修在滁州留下了不逊于岳阳楼记的千古名篇醉翁亭记。接下来就让我们一起来学习这篇课文吧！【教学提示】结合前文教学，有利于学生把握本文写作背景，进而加深学生对作品含义的理解。二、教学新课目标导学一：认识作者，了解作品背景作者简介：欧阳修(10071072)，字

17、永叔，自号醉翁，晚年又号“六一居士”。吉州永丰(今属江西)人，因吉州原属庐陵郡，因此他又以“庐陵欧阳修”自居。谥号文忠，世称欧阳文忠公。北宋政治家、文学家、史学家，与韩愈、柳宗元、王安石、苏洵、苏轼、苏辙、曾巩合称“唐宋八大家”。后人又将其与韩愈、柳宗元和苏轼合称“千古文章四大家”。关于“醉翁”与“六一居士”：初谪滁山，自号醉翁。既老而衰且病，将退休于颍水之上，则又更号六一居士。客有问曰：“六一何谓也？”居士曰：“吾家藏书一万卷，集录三代以来金石遗文一千卷，有琴一张，有棋一局，而常置酒一壶。”客曰：“是为五一尔，奈何？”居士曰：“以吾一翁，老于此五物之间，岂不为六一乎？”写作背景：宋仁宗庆历五

18、年(1045年)，参知政事范仲淹等人遭谗离职，欧阳修上书替他们分辩，被贬到滁州做了两年知州。到任以后，他内心抑郁，但还能发挥“宽简而不扰”的作风，取得了某些政绩。醉翁亭记就是在这个时期写就的。目标导学二：朗读文章，通文顺字1初读文章，结合工具书梳理文章字词。2朗读文章，划分文章节奏，标出节奏划分有疑难的语句。节奏划分示例环滁/皆山也。其/西南诸峰，林壑/尤美，望之/蔚然而深秀者，琅琊也。山行/六七里，渐闻/水声潺潺，而泻出于/两峰之间者，酿泉也。峰回/路转，有亭/翼然临于泉上者，醉翁亭也。作亭者/谁？山之僧/曰/智仙也。名之者/谁？太守/自谓也。太守与客来饮/于此，饮少/辄醉，而/年又最高，故

19、/自号曰/醉翁也。醉翁之意/不在酒，在乎/山水之间也。山水之乐，得之心/而寓之酒也。节奏划分思考“山行/六七里”为什么不能划分为“山/行六七里”？明确：“山行”意指“沿着山路走”，“山行”是个状中短语，不能将其割裂。“望之/蔚然而深秀者”为什么不能划分为“望之蔚然/而深秀者”？明确：“蔚然而深秀”是两个并列的词，不宜割裂，“望之”是总起词语，故应从其后断句。【教学提示】引导学生在反复朗读的过程中划分朗读节奏，在划分节奏的过程中感知文意。对于部分结构复杂的句子，教师可做适当的讲解引导。目标导学三：结合注释，翻译训练1学生结合课下注释和工具书自行疏通文义，并画出不解之处。【教学提示】节奏划分与明确

20、文意相辅相成，若能以节奏划分引导学生明确文意最好；若学生理解有限，亦可在解读文意后把握节奏划分。2以四人小组为单位，组内互助解疑，并尝试用“直译”与“意译”两种方法译读文章。3教师选择疑难句或值得翻译的句子，请学生用两种翻译方法进行翻译。翻译示例：若夫日出而林霏开，云归而岩穴暝，晦明变化者，山间之朝暮也。野芳发而幽香，佳木秀而繁阴，风霜高洁，水落而石出者，山间之四时也。直译法：那太阳一出来，树林里的雾气散开，云雾聚拢，山谷就显得昏暗了，朝则自暗而明，暮则自明而暗，或暗或明，变化不一，这是山间早晚的景色。野花开放，有一股清幽的香味，好的树木枝叶繁茂，形成浓郁的绿荫。天高气爽，霜色洁白，泉水浅了，

21、石底露出水面，这是山中四季的景色。意译法：太阳升起，山林里雾气开始消散，烟云聚拢，山谷又开始显得昏暗，清晨自暗而明，薄暮又自明而暗，如此暗明变化的，就是山中的朝暮。春天野花绽开并散发出阵阵幽香，夏日佳树繁茂并形成一片浓荫，秋天风高气爽，霜色洁白，冬日水枯而石底上露，如此，就是山中的四季。【教学提示】翻译有直译与意译两种方式，直译锻炼学生用语的准确性，但可能会降低译文的美感；意译可加强译文的美感，培养学生的翻译兴趣，但可能会降低译文的准确性。因此，需两种翻译方式都做必要引导。全文直译内容见我的积累本。目标导学四：解读文段，把握文本内容1赏析第一段，说说本文是如何引出“醉翁亭”的位置的，作者在此运

22、用了怎样的艺术手法。明确：首先以“环滁皆山也”五字领起，将滁州的地理环境一笔勾出，点出醉翁亭坐落在群山之中，并纵观滁州全貌，鸟瞰群山环抱之景。接着作者将“镜头”全景移向局部，先写“西南诸峰，林壑尤美”，醉翁亭坐落在有最美的林壑的西南诸峰之中，视野集中到最佳处。再写琅琊山“蔚然而深秀”，点山“秀”，照应上文的“美”。又写酿泉，其名字透出了泉与酒的关系，好泉酿好酒，好酒叫人醉。“醉翁亭”的名字便暗中透出，然后引出“醉翁亭”来。作者利用空间变幻的手法，移步换景，由远及近，为我们描绘了一幅幅山水特写。2第二段主要写了什么？它和第一段有什么联系？明确：第二段利用时间推移，抓住朝暮及四季特点，描绘了对比鲜

23、明的晦明变化图及四季风光图，写出了其中的“乐亦无穷”。第二段是第一段“山水之乐”的具体化。3第三段同样是写“乐”，但却是写的游人之乐，作者是如何写游人之乐的？明确：“滁人游”，前呼后应，扶老携幼，自由自在，热闹非凡；“太守宴”，溪深鱼肥，泉香酒洌，美味佳肴，应有尽有；“众宾欢”，投壶下棋，觥筹交错，说说笑笑，无拘无束。如此勾画了游人之乐。4作者为什么要在第三段写游人之乐？明确：写滁人之游，描绘出一幅太平祥和的百姓游乐图。游乐场景映在太守的眼里，便多了一层政治清明的意味。太守在游人之乐中酒酣而醉，此醉是为山水之乐而醉，更是为能与百姓同乐而醉。体现太守与百姓关系融洽，“政通人和”才能有这样的乐。5

24、第四段主要写了什么？明确：写宴会散、众人归的情景。目标导学五：深入解读，把握作者思想感情思考探究：作者以一个“乐”字贯穿全篇，却有两个句子别出深意，不单单是在写乐，而是另有所指，表达出另外一种情绪，请你找出这两个句子，说说这种情绪是什么。明确：醉翁之意不在酒，在乎山水之间也。醉能同其乐，醒能述以文者，太守也。这种情绪是作者遭贬谪后的抑郁，作者并未在文中袒露胸怀，只含蓄地说：“醉能同其乐，醒能述以文者，太守也。”此句与醉翁亭的名称、“醉翁之意不在酒，在乎山水之间也”前后呼应，并与“滁人游”“太守宴”“众宾欢”“太守醉”连成一条抒情的线索，曲折地表达了作者内心复杂的思想感情。目标导学六：赏析文本，感受文本艺术特色1在把握作者复杂感情的基础上朗读文本。2反复朗读，请同学说说本文读来有哪些特点，为什么会有这些特点。(1)句法上大量