教学第二章信息光电子学基础课件

第二章信息光电子学基础第二章信息光电子学基础1光学是一门古老而又年轻、极具生命活力的物理学科，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。▲信息光电子学研究内容1、光信息的产生、采集、传输、存储、处理、控制的运动规律。２、光和物质的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的机械作用、光的热效应、光的电效应、光的化学效应、光的生理效应等。３、光的本质的研究。内容可分为几何光学、波动光学、量子光学、现代光学。2.1信息光电子学的理论体系的发展光学是一门古老而又年轻、极具生命活力的物理学科2波动光学电磁光学几何光学量子光学非线性光学非线性光学 ------- 研究光与物质作用理论；

电磁光学 ------- 基于Maxwell方程的研究理论；

量子光学 ------- 基于量子论的理论；

▲信息光电子学研究理论体系波动光学电磁光学几何光学量子光学非线性光学非线性光学 ---3周朝的金燧取火（公元前1000年）古埃及金字塔出土的平面镜（公元前1000年）；《墨经》中的光线传播，平面镜、凹面镜、凸面镜的成像（公元前400年）；Euclid的《反射光学》（公元前400年）；南宋沈括《梦溪笔谈》中，针孔成像、球面镜成像、虹霓、月蚀现象的描述。1.古代光学 公元前------16世纪宏观光学现象的直观认识▲信息光电子学发展史1.古代光学 公元前------16世纪宏观光学现象的直观认42.经典光学 17世纪------19世纪Galilei（伽利略）望远镜（1610年），发现土星光环；Kepler（开普列）望远镜用于天体观测（1611），Kepler三定律；Snell（斯涅尔

）折射定律（1621年）；Fermat（费马）原理:“自然界以时间最短作为行为准则”（1657);Newton（牛顿）的微粒学说、色散实验（1666年）;Romer（罗默）根据木星的月蚀测出光速有限（≈214000km/s）（1676）；Huggens（惠更斯）的波动学说（1678）；2.经典光学 17世纪------19世纪Ga5Young（杨氏）的干涉实验（1801）；Fresnel（菲涅耳）的波动理论（1814）、反射折射定律(1832)Fizeau（斐索）用旋转齿轮测光速（≈315300km/s）(1849)Foucault（莱昂·傅科）测出水中光速比空气中光速小（1850），与微粒学说矛盾，与波动说吻合；Maxwell(麦克斯韦）的电磁波理论(1873)光速Michelson&Morley的干涉实验（1887）；19世纪末确立了光的波动理论的统治地位。

Young（杨氏）的干涉实验（1801）；19世纪末确63.近现代光学 1900-----量子论（1900）；Einstein（爱因斯坦）发现光电效应（1905）；deBroglie（德布罗意）的物质波理论（1924）；Born的波粒二像性理论（1925）；

Maiman激光器的诞生（1960）；QuantumOptics（量子光学）；NonlinearOptics（非线性光学）；IntegratedOptics（集成光学）；OpticalCommunication（光通信）；Holography（全息学）；Photonics（光子学）；….现代光学的分支和技术3.近现代光学 1900-----量子论（1900）；7萌芽时期（约公元前400年—公元16世纪）成就发现和总结了一些实验现象，如平面镜成像、透镜成像、凹凸面镜成像、针孔成像的现象和规律。造出了透镜、凹凸面镜、眼镜、暗箱等光学元件。几何光学时期（公元16世纪—公元19世纪）成就建立了光的反射和折射定律，奠定了几何光学的基础；发现了干涉、衍射、偏振等光的波动现象，以惠更斯为代表的波动说初步提出。造出望远镜（H.Lippershey

，1587—1619年）、显微镜（Z.Janssen，1580—1656年），极大地推动了天文、航海、生物学的发展。

为几何光学向波动光学过渡时期，是人们对光的认识逐步深化的时期。萌芽时期（约公元前400年—公元16世纪）成就发现和8波动光学时期（公元19世纪）成就惠更斯—菲涅耳原理成功地解释了光的直线传播、干涉、衍射和偏振现象，奠定了波动光学的基础；法拉第（M.Faraday，1791—1897年）和麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831—1879年）等人揭示了光学现象和电磁现象的内在联系，赫兹（H.R.hertz，1857—1894年）测得电磁波的传播速度等于光速，确定了光的电磁理论基础。成功地测定了光的波长，用多种实验方法测定了光在各种介质中的传播速度。

光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很总要的作用，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。波动光学时期（公元19世纪）成就惠更斯—菲涅耳原理成9量子光学时期（公元19世纪末—公元20世纪上半叶）成就爱因斯坦（1879—1947年）发展了普朗克的能量子假设，提出了光的量子说，圆满的解释了光电效应，并被康普顿效应等许多实验证实，使人们认识到光的波粒二象性。

光和一切微观粒子都具有波粒二象性，这个认识促进了原子核和基本粒子研究的发展，也推动人们进一步探索光和物质的本质，包括实物和场的本质问题。现代光学时期20世纪60年代以来是光学发展最为迅速活跃的时期。成就激光问世（T.H.Maiman，1927—），全息术、微波、光纤、红外技术的应用乃至光计算机的研制，使光学成为现代物理学和现代科学技术领域最重要的前沿之一；理论上出现了许多新的分支学科和边缘学科，如傅里叶光学、非线性光学、量子光学、激光光谱学、集成光学等。

现代光学与其他科学技术的结合使人们对光本质的认识进一步向前发展，并在社会生活和生产活动中发挥极其重要的作用。量子光学时期（公元19世纪末—公元20世纪上半叶）成就10信息光电子学光的产生光的传播光信息获取热辐射理论光和物质相互作用自发辐射大气中的光传播晶体中的光传播薄膜介质中的光传播光电信号的转换光学成像人眼受激辐射光学变换介质传输光学几何光学真空中的光传播物理光学经典电磁场理论——经典理论电磁光学、量子光学非线性光学光电子发射效应光电导效应光伏效应热效应几何成像衍射成像扫描成像菲涅耳环带片成像全息成像光谱变换光信息控制光信息处理电光效应图像增强激光技术空间滤波信息光电子学理论构架信息光电子学光的产生光的传播光信息获取热辐射理论光和物质相互112.2光信息的产生2.2.1热辐射理论理论体系：经典电磁场理论，电偶谐振子振荡黑体辐射的基本定律——普朗克定律：h:普朗克常数6.6263×10-34W·S2，k:玻耳兹曼常数1.38×10-23W·s·K-12.2光信息的产生2.2.1热辐射理论理论体系：经典电磁12斯忒藩－玻耳兹曼定律（从一平方米表面积的黑体辐射到半球空间的总辐射量）斯忒藩－玻耳兹曼常数：(W·m-2)(W·m-2·K-4)

单位方向的辐射量：斯忒藩－玻耳兹曼定律（从一平方米表面积的黑体辐射到半球空间的13维恩位移定律：微分普朗克公式，求极大值，得到温度和峰值波长的关系峰值光谱辐射度：（A＝2898m·K）

（b＝1.2862×10-11W·m-2·K-5·m-1）

维恩位移定律：微分普朗克公式，求极大值，得到142.2.2光和物质的相互作用自发发射：经典电磁场理论，麦克斯韦方程，电偶极子自发辐射受激发射：经典电动力学、电磁光学、半经典理论、量子电动力学、量子电磁力学光谱变换：非线性光学麦克斯韦方程：经典电磁场理论理论体系：2.2.2光和物质的相互作用自发发射：经典电磁场理论，麦克152.2.3光辐射波长10141013101210111010109108107106105104103102101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10波长/m长电磁振荡无线电波微波X射线射线宇宙射线千米波米波厘米波毫米波40m1000m6m3m760nm622nm597nm577nm492nm455nm380nm300nm200nm10nm远红外光中红外光近红外光红光橙光黄光绿光蓝光紫光近紫外光远紫外光极远紫外光极远红外光红外线可见光紫外线2.2.3光辐射波长1014101310121011101162.3光信息的描述1、单色波单色平面波：可以分解为时间相位因子和空间相位因子球面光波：柱面光波：高斯光束：2.3光信息的描述1、单色波单色平面波：可以分解为时间相位172、频率谱对于非单色光，它是由多个频率合成的光信号，针对于光波频率因子，及纵模，是时间上的频率2、频率谱对于非单色光，它是由多个频率合成的183、空间频率与空间频率谱在方向的空间频率：光波强度在空间上的分布3、空间频率与空间频率谱在方向的空间频率：光波强度在空间192.4.1光在各向同性介质界面上的反射和折射反射定律和折射定律反射率和投射率反射和折射的相位特性反射和折射的偏振特性全反射2.4光信息的传输2.4.1光在各向同性介质界面上的反射和折射反射定律和折射202.4.2光在各向同性介质中的传输介质吸收介质色散介质散射光的衍射：夫浪和费衍射、菲涅耳衍射2.4.3光在各向异性介质中的传输非线性效应晶体的双折射电光效应、声光效应、磁光效应等2.4.2光在各向同性介质中的传输介质吸收2.4.3光在21光信息技术基础光信息的产生光信息的传输技术光信息的采集黑体辐射技术激光技术非线性光学技术光学传感器技术人眼光学成像技术光电信号转换技术激光雷达技术图像信息识别技术光纤通信技术激光空间通信技术光盘存储技术全息存储技术激光加工技术激光医疗技术光电对抗技术强激光技术激光生物技术光信息的存储技术光信息的显示图像显示技术光信息的控制技术光信息的加工及处理技术空间滤波技术光计算技术图像增强技术空间光调制技术2.5信息光电子的技术基础光信息技术基础光信息的产生光信息的传输技术光信息的采集黑体辐22第二章信息光电子学基础第二章信息光电子学基础23光学是一门古老而又年轻、极具生命活力的物理学科，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。▲信息光电子学研究内容1、光信息的产生、采集、传输、存储、处理、控制的运动规律。２、光和物质的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的机械作用、光的热效应、光的电效应、光的化学效应、光的生理效应等。３、光的本质的研究。内容可分为几何光学、波动光学、量子光学、现代光学。2.1信息光电子学的理论体系的发展光学是一门古老而又年轻、极具生命活力的物理学科24波动光学电磁光学几何光学量子光学非线性光学非线性光学 ------- 研究光与物质作用理论；

电磁光学 ------- 基于Maxwell方程的研究理论；

量子光学 ------- 基于量子论的理论；

▲信息光电子学研究理论体系波动光学电磁光学几何光学量子光学非线性光学非线性光学 ---25周朝的金燧取火（公元前1000年）古埃及金字塔出土的平面镜（公元前1000年）；《墨经》中的光线传播，平面镜、凹面镜、凸面镜的成像（公元前400年）；Euclid的《反射光学》（公元前400年）；南宋沈括《梦溪笔谈》中，针孔成像、球面镜成像、虹霓、月蚀现象的描述。1.古代光学 公元前------16世纪宏观光学现象的直观认识▲信息光电子学发展史1.古代光学 公元前------16世纪宏观光学现象的直观认262.经典光学 17世纪------19世纪Galilei（伽利略）望远镜（1610年），发现土星光环；Kepler（开普列）望远镜用于天体观测（1611），Kepler三定律；Snell（斯涅尔

）折射定律（1621年）；Fermat（费马）原理:“自然界以时间最短作为行为准则”（1657);Newton（牛顿）的微粒学说、色散实验（1666年）;Romer（罗默）根据木星的月蚀测出光速有限（≈214000km/s）（1676）；Huggens（惠更斯）的波动学说（1678）；2.经典光学 17世纪------19世纪Ga27Young（杨氏）的干涉实验（1801）；Fresnel（菲涅耳）的波动理论（1814）、反射折射定律(1832)Fizeau（斐索）用旋转齿轮测光速（≈315300km/s）(1849)Foucault（莱昂·傅科）测出水中光速比空气中光速小（1850），与微粒学说矛盾，与波动说吻合；Maxwell(麦克斯韦）的电磁波理论(1873)光速Michelson&Morley的干涉实验（1887）；19世纪末确立了光的波动理论的统治地位。

Young（杨氏）的干涉实验（1801）；19世纪末确283.近现代光学 1900-----量子论（1900）；Einstein（爱因斯坦）发现光电效应（1905）；deBroglie（德布罗意）的物质波理论（1924）；Born的波粒二像性理论（1925）；

Maiman激光器的诞生（1960）；QuantumOptics（量子光学）；NonlinearOptics（非线性光学）；IntegratedOptics（集成光学）；OpticalCommunication（光通信）；Holography（全息学）；Photonics（光子学）；….现代光学的分支和技术3.近现代光学 1900-----量子论（1900）；29萌芽时期（约公元前400年—公元16世纪）成就发现和总结了一些实验现象，如平面镜成像、透镜成像、凹凸面镜成像、针孔成像的现象和规律。造出了透镜、凹凸面镜、眼镜、暗箱等光学元件。几何光学时期（公元16世纪—公元19世纪）成就建立了光的反射和折射定律，奠定了几何光学的基础；发现了干涉、衍射、偏振等光的波动现象，以惠更斯为代表的波动说初步提出。造出望远镜（H.Lippershey

，1587—1619年）、显微镜（Z.Janssen，1580—1656年），极大地推动了天文、航海、生物学的发展。

为几何光学向波动光学过渡时期，是人们对光的认识逐步深化的时期。萌芽时期（约公元前400年—公元16世纪）成就发现和30波动光学时期（公元19世纪）成就惠更斯—菲涅耳原理成功地解释了光的直线传播、干涉、衍射和偏振现象，奠定了波动光学的基础；法拉第（M.Faraday，1791—1897年）和麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831—1879年）等人揭示了光学现象和电磁现象的内在联系，赫兹（H.R.hertz，1857—1894年）测得电磁波的传播速度等于光速，确定了光的电磁理论基础。成功地测定了光的波长，用多种实验方法测定了光在各种介质中的传播速度。

光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很总要的作用，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。波动光学时期（公元19世纪）成就惠更斯—菲涅耳原理成31量子光学时期（公元19世纪末—公元20世纪上半叶）成就爱因斯坦（1879—1947年）发展了普朗克的能量子假设，提出了光的量子说，圆满的解释了光电效应，并被康普顿效应等许多实验证实，使人们认识到光的波粒二象性。

光和一切微观粒子都具有波粒二象性，这个认识促进了原子核和基本粒子研究的发展，也推动人们进一步探索光和物质的本质，包括实物和场的本质问题。现代光学时期20世纪60年代以来是光学发展最为迅速活跃的时期。成就激光问世（T.H.Maiman，1927—），全息术、微波、光纤、红外技术的应用乃至光计算机的研制，使光学成为现代物理学和现代科学技术领域最重要的前沿之一；理论上出现了许多新的分支学科和边缘学科，如傅里叶光学、非线性光学、量子光学、激光光谱学、集成光学等。

现代光学与其他科学技术的结合使人们对光本质的认识进一步向前发展，并在社会生活和生产活动中发挥极其重要的作用。量子光学时期（公元19世纪末—公元20世纪上半叶）成就32信息光电子学光的产生光的传播光信息获取热辐射理论光和物质相互作用自发辐射大气中的光传播晶体中的光传播薄膜介质中的光传播光电信号的转换光学成像人眼受激辐射光学变换介质传输光学几何光学真空中的光传播物理光学经典电磁场理论——经典理论电磁光学、量子光学非线性光学光电子发射效应光电导效应光伏效应热效应几何成像衍射成像扫描成像菲涅耳环带片成像全息成像光谱变换光信息控制光信息处理电光效应图像增强激光技术空间滤波信息光电子学理论构架信息光电子学光的产生光的传播光信息获取热辐射理论光和物质相互332.2光信息的产生2.2.1热辐射理论理论体系：经典电磁场理论，电偶谐振子振荡黑体辐射的基本定律——普朗克定律：h:普朗克常数6.6263×10-34W·S2，k:玻耳兹曼常数1.38×10-23W·s·K-12.2光信息的产生2.2.1热辐射理论理论体系：经典电磁34斯忒藩－玻耳兹曼定律（从一平方米表面积的黑体辐射到半球空间的总辐射量）斯忒藩－玻耳兹曼常数：(W·m-2)(W·m-2·K-4)

单位方向的辐射量：斯忒藩－玻耳兹曼定律（从一平方米表面积的黑体辐射到半球空间的35维恩位移定律：微分普朗克公式，求极大值，得到温度和峰值波长的关系峰值光谱辐射度：（A＝2898m·K）

（b＝1.2862×10-11W·m-2·K-5·m-1）

维恩位移定律：微分普朗克公式，求极大值，得到362.2.2光和物质的相互作用自发发射：经典电磁场理论，麦克斯韦方程，电偶极子自发辐射受激发射：经典电动力学、电磁光学、半经典理论、量子电动力学、量子电磁力学光谱变换：非线性光学麦克斯韦方程：经典电磁场理论理论体系：2.2.2光和物质的相互作用自发发射：经典电磁场理论，麦克372.2.3光辐射波长10141013101210111010109108107106105104103102101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10波长/m长电磁振荡无线电波微波X射线射线宇宙射线千米波米波