光电子技术教学课件2

1、2022/8/211 光子的相干性和光子简并度相格的空间体积=相干体积？ 结论：1、相格空间体积以及一个光波模式或光子态占有的空间体积都等于相干体积。2、属于同一量子态的光子或同一模式的光波是相干的，不同量子态的光子或不同模式的光波是不相干的。3、模式、光子的量子态、相干体积、相格等价光子简并度当体系处于热平衡时，在n个光子中，出现在能量为 状态的最可几数目 是由体系温度和能量决定的：由此可得黑体在温度T下，在一定频率间隔内的平衡辐射能量：从而得到单位体积单位频率间隔内的黑体辐射能量为：2022/8/213光波模式和光量子态的等价问题光波模式：把每一个能代表场振动的分布叫做光的一种模式。场的不

2、同本征振动状态表示为不同的模式。每一种本征振动状态表示的是在给定初始条件和边界条件下的麦克斯韦方程组的一个特解。在光频区，一种光的模式表示麦克斯韦方程组的一个特解，代表具有一定偏振、一定传播方向、一定频率和一定寿命的光波。2022/8/2142.1.2 折射 反射 全反射当时，逐渐增大入射角，反射角会增大，达到直角2.1 光学基础知识2022/8/215此时有：当时，入射光的能量全部被界面反射回光密介质，即称为全反射。2022/8/2162.1.3 偏振 （ Polarization ）振动方向和传播方向不对称 1.光的偏振态 线偏振光： 光振动垂直板面光振动平行板面自然光：2.1 光学基础知

3、识2022/8/217部分偏振光： 平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强2.1 光学基础知识2022/8/218圆偏振光、椭圆偏振光 右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光2.1 光学基础知识2022/8/2192. 偏振度 Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It 部分偏振光的总强度In 部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光 (线、圆、椭圆 ) P =1自然光 ( 非偏振光 ) P = 0部分偏振光 0 P ，D d (d 10 -4m, D m)波程差：相位差：明纹 暗纹 pr1r2xx0 xIxxDdo2022/8/2116条纹间距(1) 一系列平行的明暗相间的条纹； (3) 中间级次低

4、；明纹: k ，k =1,2,3(整数级)暗纹: (2k+1)/2 (半整数级)(4) 条纹特点：(2) 不太大时条纹等间距；某条纹级次 = 该条纹相应的 (r2-r1)/2022/8/2117二 . 光强公式若 I1 = I2 = I0 ,则光强曲线I02-24-4k012-1-24I0 x0 x1x2x -2x -1sin0 /d- /d-2 /d2 /d2022/8/21182.1.5 光的衍射（Diffraction of light）1 衍射现象、惠更斯菲涅耳原理一. 光的衍射1.现象:*S衍射屏观察屏a 10 - 3 a2.定义: 光在传播过程中能绕过障碍物*S衍射屏观察屏LL的边

5、缘而偏离直线传播的现象2022/8/2119二. 惠更斯菲涅耳原理波传到的任何一点都是子波的波源，pdE(p)rQdSS(波前)设初相为零n 远场衍射(2) 夫琅禾费衍射 近场衍射(1) 菲涅耳衍射 3. 分类:各子波在空间某点的相干叠加，就决定了该点波的强度。2022/8/2120P处波的强度取决于波前上Q点处的强度K( ):方向因子2022/8/21212 单缝的夫琅禾费衍射、半波带法一.装置*S f f a透镜L透镜LpAB缝平面观察屏0二.半波带法 (缝宽)S: 单色光源 : 衍射角 中央明纹(中心) 当 时，可将缝分为两个“半波带” AP和BP的光程差2022/8/2122a12BA

6、半波带半波带12两个“半波带”上发的光在P处干涉相消形成暗纹。 当 时，可将缝分成三个“半波带”P处近似为明纹中心Ba/2A/2半波带半波带12122022/8/2123a/2BA形成暗纹。 当 时,可将缝分成四个“半波带”,暗纹明纹(中心) 中央明纹(中心)上述暗纹和中央明纹(中心)位置是准确的，其余明纹中心的位置较上稍有偏离。一般情况2022/8/2124三. 振幅矢量法、光强公式( N很大 )每个窄带发的子波在P点振幅近似相等,设为P处的合振幅EP 就是各子波的振幅矢量和的模透镜 fpxxxsin缝平面缝宽aABC0观测屏2022/8/2125P 处是多个同方向、同频率、同振幅、初对于O

7、点: = 0 , = 0E0E0E0 = N E0对于其他点P： EP E0EPE0当N 时, N个相接的折线将变为一个圆弧。相依次差一个恒量 的简谐振动的合成，合成的结果仍为简谐振动。2022/8/2126令有 又P点的光强REPE02022/8/2127由 可得(1) 主极大（中央明纹中心）位置：(2) 极小（暗纹）位置：由 得可 (3) 次极大位置：2022/8/2128解得 :相应 :(4)光强 :从中央往外各次极大的光强依次为:0.0472I0 , 0.0165I0 , 0.0083I0 , I次极大 I主极大-2.46o2-2yy1 = tgy2 = +2.46-1.43+1.43

8、2022/8/2129相对光强曲线 0 /a-( /a)2( /a)-2( /a)sin0.0470.017 1I / I00.0470.017四. 条纹宽度1.中央明纹:xI0 x1x2衍射屏透镜观测屏x0 f1时，角宽度线宽度衍射反比定律2022/8/21302. 其他明纹(次极大)3. 波长对条纹宽度的影响 4. 缝宽变化对条纹的影响波长越长，条纹宽度越宽缝宽越小，条纹宽度越宽当 时，屏幕是一片亮I0sin2022/8/2131几何光学是波动光学在 /a 0时的极限情形只显出单一的明条纹 单缝的几何光学像当 ， 时， 2022/8/21322.2.1、麦克斯韦方程组的积分形式：2.2麦克

9、斯韦方程组与电介质传导电流密度 :运流电流密度: 2022/8/2133微分形式的麦克斯韦方程组： 由于存在电荷守恒定律，麦克斯韦方程组中后两个散度方程可以从前两个旋度方程导出，故不是独立的。 总共有三个独立的矢量方程 ， 五个矢量 一个标量 ，还缺两个矢量方程状态方程。2022/8/2134状态方程： 2022/8/21352.2.2 电介质1.电介质的特性 电极化强度为： 介质折射率为： 所以有： 即介质的特性包括：线性特性、非色散特性、均匀特性、各向同性、空间非色散性2022/8/2136 简单介质 非均匀介质 各向异性介质 非线性介质 色散介质 谐振介质2 .电介质的分类2022/8/

10、21372.3 平面电磁波的传播2.3.1 电磁波动方程 媒质 均匀,线性,各向同性。若不考虑位移电流，就是MQS场中的扩散方程。从电磁场基本方程组推导电磁波动方程讨论前提： 脱离激励源；1）2）2022/8/2138 均匀平面波条件：结论 Ex=Hx=0 （时变场），沿波传播方向上无场的分量，称为TEM波。（4）（5）（6） 即（1）（2）（3）由 得由 得由由 选择坐标轴，令Ez=0, 则 Hy=0,从式(2)、（6）导出一维标量波动方程2.3.2 均匀平面波2022/8/21392.2.3 理想介质中的均匀平面波1 波动方程的解及其传播特性方程的解 波阻抗入射（反射）电场与入射（反射）磁

11、场的比值 能量的传播方向与波的传播方向一致。传播特性 （单一频率）电磁波的相速 ，真空中 m/s( 欧姆 )及方程2022/8/21402正弦稳态电磁波式中 传播常数， 波数、相位常数（ ）， 波长（m）。式中 是待定复常数，由边界条件确定。 E 、H 、S在空间相互正交，波阻抗为实数； 相位速度的证明：相速是等相位面前进的速度 场量的幅值与 无关，是等幅波； 反映 弧度中波长的个数，又称波数 ； 其解2022/8/2141 2.2.4导电媒质中的均匀平面波 正弦电磁波的波动方程复数形式为 复介电常数式中用分别替换理想介质中的 k 和 ，当 ，称为良导体，良导体中波的传播特性： E , H 为

12、减幅波（集肤效应）；图6.3.1 导电媒质中正弦均匀平面波沿x方向的传播 波阻抗为复数, 超前 理想介质与良导体中均匀平面波传播特性的比较。电磁波是色散波,与 有关。2022/8/21422.2.5 平面波的反射与折射 本节从电磁现象的普遍规律出发，讨论均匀平面波以任意角度入射到无限大平面分界面时出现的反射与折射情况。图6.5.1 平面波的斜入射图6.5.2 垂直极化波的斜入射垂直极化波E与入射面垂直；入射面 与n所在的平面；平行极化波E与入射面平行；图6.5.3 平行极化波的斜入射2022/8/21431 理想介质中垂直极化波的斜入射 媒质1：媒质2：1. 在z=0 平面上, E1t=E2t

13、 , 有等式对任意x成立,必有用 代入上式, 得可见 反射角=入射角反射定律；折射定律，斯耐尔定律。图6.5.4 局部坐标2022/8/21442.在 z=0 平面上,E1t=E2 t , H1t=H2t ,有联立求解两式,得到菲涅尔公式反射系数折射系数若为正入射, 则和2022/8/21452理想介质中平行极化波的斜入射 1. 在 z=0平面上 , E1t=E2t , 同上分析, 有反射定律折射定律2. 在 z=0 平面上 , E1t=E2t , H1t=H2t ,有联立解后,得到平行极化波的菲涅尔公式反射系数折射系数若为正入射, 则和2022/8/2146 3 理想介质中的全反射和全折射1.全反射根据折射定律全反射条件：（电磁波从光密媒质到光疏媒质），全反射时，折射波在分界面表面（区域2）沿着x方向传播， 沿x方向传播的电磁波又称为分界面上的表面波。如介质波导就是一种表面波传播系统。当 即 时