光电子技术基础光学知识

第二章光电子技术的基础光学知识2.1光的基本属性—波粒二重在日常生活中，光是最为人们所熟悉的东西。关于光学的研究大概至少可以追溯到2000多年前。约在公元前400多年，中国的《墨经》记载了可能是世界上最早的光学实验以及所获得的关于影、针孔成像、镜面成像、虹霓和月蚀的知识。差不多相同的时期，西方也有不少关于光学的实验和研究，公元前300年，希腊欧几里得的《反射光学》里就有光的直线传播性和反射定律的叙述。光学作为一门学科的真正的发展约在17世纪。由1621年斯涅尔发现光的折射定律，与早先发现的光的直线传播定律和反射定律一起构成了几何光学的基础。关于光的本性问题的研究和讨论很多，最终可以归纳为两种不同的学说，一种是以牛顿(Newton)为代表的微粒理论，另一种是以惠更斯(C.Huygens)为代表的波动理论。微粒理论认为，光是由发光体发出的光粒子（微粒）流所组成的，这些光微粒具有质量，与普通的实物小球一样遵从相同的力学规律。而波动理论则认为，光和声一样是一种波动，是由机械振动的传播而引起的一种波动。尽管这两种学说都能解释光的反射和折射现象，但是，在解释光线从空气进入水中的折射现象时，微粒理论需要假设水中的光速大于空气中的光速；而波动理论则需要假设水中的光速小于空气中的光速。由于当时人们还不能准确地用实验方法测定光速，因而难以根据折射现象去判断这两种学说的优劣。但由于牛顿在科学界的祟高威望，使得光的微粒理论在很长一段时间内占据着统治地位。19世纪初，杨(T.Young)和菲涅耳(A.J.Fresnel)等人在研究光的干涉、衍射和偏振等现象时，发现波动理论可以解释这些现象，而微粒理论则无能为力。1850年，佛科(J.B.L.Foucauｈ）用实验方法测定了水中的光速，证实水中的光速小于空气中的光速。这些事实都对波动理论提供了重要的实验论据。19世纪60年代，麦克斯韦(J.C.Maxwell)建立了电磁场理论，并认为光是一定频率范围内的电磁波，具有一般电磁波的波动特性，为波动说建立起更为坚实的理论基础。

但是，从19世纪末到21世纪初，人们又陆续发现了一系列波动理论难以合理解释的现象，如黑体辐射、原子的线状光谱和光电效应等。以后，人们在努力解释有关光和物质相互作用的现象时，越来越多地认识到必须承认光具有粒子特性。1900年普朗克（M.Planck）提出辐射的量子理论,1905年爱因斯坦（Einstein）发展了普朗克的量子化假设，形成了一种全新意义的光子学说。这个光子学说的理论认为，光是具有一定能量和动量的粒子所组成的粒子流，这种遵从崭新量子力学规律的粒子称为光子。于是，人们对光是具有波动和粒子的双重性质，即光具有波粒二重性取得了较普遍的共识。

2.2光是一种电磁波我们已经看到，光具有波动性，其波动特性符合电磁波的特征，那么我们有必要再回过头来认识一下电磁波。1864年麦克斯韦发表了“电磁场的动力理论”这一著名论文，建立了描述电磁场变化规律的麦克斯韦方程组及相关的理论。1887年赫兹（H.Hertz）应用电磁振荡的方法证实了电磁波的客观存在，并证明了电磁波和光波具有共同特性。电磁场理论认为，光实际上是一定频率范围内的电磁波，电磁波的传播实际上就是将变化的电磁场进行的传播。若在空间某区域有变化电场E(或变化磁场H)，那么将在邻近区域引起磁场H的变化(或电场E的变化），这种变化的电场和磁场相互激发、相互感生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。与此相关的电磁场的基本性质如下：

(1)在电磁场中，电场矢量E、磁场矢量H和传播方向k三者相互垂直。E,H和k三个矢量的方向成右手螺旋关系；

(2)电磁波是横波，沿给定方向传播的电磁波，E与H的振动方向都是在各自垂直于传播方向k的平面内，这一特性称为偏振性；

(3)空间各点E和H都作周期性变化，并且它们的相位相同；(4)电磁波在真空中的传播速度为

c=(2.1)式中：ε0为真空中的介电常数；μ0为真空中的磁导率。在国际单位制中，指定μ0=4π×10-7H/m，由精密测定ε0=8.854×10-12F/m，推算得c≈3.0×108m/s。电磁波的波谱范围很广，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、Ｘ射线和Y射线等。这些电磁波从波动特性的角度，本质上完全相同，只是波长不同而已。真空中电磁波的波长λ与频率υ的关系为λ=c/υ（2.2）真空中电磁波的传播速度c≈3.0×108m/s为常量，所以频率不同的电磁波在真空中具有不同的波长。频率愈高，对应的波长就越短。按照电磁波频率或波长的顺序可以排列起一电磁波谱图，如图2.1所示。

图2.1电磁波及可见光波长分布表2.1列出了电磁波段的详细划分及用途,这里涵盖了目前已经发现并得到广泛利用的不同波长的各类电磁波，这里有波长达104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。下面对各种不同性质的电磁波分别作简单的介绍。

电磁波谱主要形成手段波长范围频率范围/MHz目前的主要应用无线电波长波电子线路3~30km0.01~0.1越洋长距离通讯、导航中波200m~3km0.1~1.5AM广播、电报通讯短波10~200m1.5~30AM广播、电报通讯超短波1~10m30~300FM广播、电视、导航微波行波管、调速管、磁控管1mm~1m300~3×105电视、雷达、导航光波红外线热体激光0.76um~1mm3×105~4×108雷达、导航、光线通信可见光电弧灯0.40~0.76um(4~7.5)×108紫外线汞灯0.03~0.40um7.5×(108~1010)医用、照相制版X射线X射线管0.1nm~0.03um1010~3×1012医用、探伤、物相分析Γ射线加热器1.0pm~0.1nm3×(1012~1014)探伤、物相结构分析波长超过lmm的电磁波我们统称为无线电波，其频率不超过300MHz。除了自然界本身具有的以外，我们通常研究和使用的无线电波主要是由包括各类晶体管等元器件制作的特定的电子线路产生，因此频率的纯度可以是很高。通过对电子线路进行调制，可用来承载和传递各种信息。百多年来无线电波已被广泛地应用于无线电广播、电视、移动电话、卫星转播、雷达和电磁炉等众多领域，已经成为日常生活中不可或缺的东西。

无线电波我们无法用肉眼直接看见，而我们所讨论的可见光却是我们睁开眼睛就能见到的。可见光其实也是电磁波，但只占整个电磁波谱中很小的一部分，只有波长范围在400~760nm之间的电磁波能使人眼产生光的感觉。有意思的是不同波长的电磁波对人眼中所呈现的效果是各不相同，随着波长的缩短，呈现的感官效果，也可称为“颜色”依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。我们日常感受到的白光则是各种颜色的可见光的混合，也即是400~760nm之间的电磁波的混合。红外线波比红光的波长长，一般看不见，波长在0.76um~1mm之间。可被细分为近红外、中红外、远红外和极远红外几个部分。我们能以温度的形式感觉到部分红外线的存在。自然界中凡是温度高于绝对零度的物体都会发射出各自特定的红外线，这个特性对于观察和测定肉眼看不见的对象具有特殊的意义。利用目标和背景温度及物体发射红外线能力的差异可做成各种的红外线传感仪器，对目标进行探测、跟踪、搜索及成像，并能直接反映物体的温度分布、空间方位及运动状态等若干特征参量。目前红外技术已被广泛应用于军事、科学研究、工农业生产、医学和日常生活等各个领域。紫外线波比我们所见的紫色光的波长短，同样我们的眼睛也看不见，其波长范围在30~400nm之间。它也可以进一步按照波长由长到短细分为近紫外、远紫外和极远紫外三部分。炽热物体的温度很高时，除了辐射红外线外还会辐射紫外线。太阳光中有大量紫外线，人工制造的汞灯中也能发射出大量紫外线。紫外线有显著的化学效应和荧光效应，可用于医疗杀菌和照相制版等行业。

比紫外线的波长更短的电磁波被称为X射线，其波长范围在0.1~30nm之间。除了自然界本身具有的以外，可以用高速电子流轰击原子中的内层电子而产生X射线，从X射线管发射出来。X射线由于波长短，具有很强的穿透能力，它透过各种物体的本领与组成物质的原子量有关。另外X射线还具有使胶片感光，使荧光屏发光的特殊能力。利用X射线的这些性质可透视人体内部的病变，可检查金属部件的内伤和分析物质的晶体结构，并留下可供查阅的照片。

波长在1.0pm~0.1nm之间的电磁波被称为γ射线。γ射线是放射性原子衰变或用高能粒子与原子核碰撞时所发出的一种波长极短的电磁波。γ射线作为一种更具穿透力的放射线，常用于更高要求的金属探伤和对原子核结构的探测及研究。

2.3光光传播的的的一些基本本现象可见光是一一种波长很很短的电磁磁波，靠着着电磁场在在空间中传传播，电磁磁场的传播播具有波动动性。应用用光的电磁磁理论，能能解释光的的反射、折折射、干涉涉、衍射、、偏振和双双折射等与与光的传播播特性有关关的现象。。2.3.1反射、全全反射、折折射当光波照射射在镜面上上会发生反反射，光在在镜面上的的反射接近近于全反射射。光波射射在非镜面面的介质界界面上也会会发生反射射，但可能能不是全反反射，同时时还会发生生透射和折折射等现象象。这些物物理现象均均遵从界面面波前匹配配、相位相相等的原则则，并可推推导出反射射定律与折折射定律。。光波射到镜镜面或介质质界面上时时，会有光光波发生折折回原介质质中的方向向转折过程程，称为光光的反射，，如图2.2(a）所示，，满足反射射定律：1)反射光光位于入射射光与界面面法线所决决定的平面面内；2)反射角角θ1等等于入射角角θ/1，，即θ1=θθ/1（（2-3）光波射在介介质界面上上时，一部部分光波会会被界面反反射（遵从从反射定律律），另一一部分光波波则会进入入界面。若若进入界面面后这部分分光在前进进的方向上上发生改变变，形成折折射现象，，如图2.2(b)所示，折折射光线满满足如下定定律：1)折射光光线位于界界面法线与与入射光线线所决定的的平面内；；2）折射角角满足n1sinθ1=n2sinθ2(2.4)当n1>n2时，入入射光的能能量逐渐增增大θ1角角会反射，，当θ1增增加到θc时，如图图2.2（（c）所示示，θ2=90º，其中中θc满足足sinθc=n2/n1(2.5)当θ1＞＞θc时时，入射光光的能量全全部被诫界界面反射回回光密介质质，这种现现象称为全全反射，如如图2.2(d)所示。。图2.2光光的反射、、全反射、、折射现象象2.3.2偏振在空间传播播的电磁波波，其电场场矢量在某某一特殊的的平面内振振动，就称称这种电磁磁波为平面面偏振波或或线偏振波波。许多实实际的光束束都是由许许多个别的的光波合成成的，合成成光波方向向不断变化化，大多数数情况下这这些个别光光波的电场场矢量取向向都是任意意的，因而而光束是非非偏振的。。实际中的的自然光，，其光源包包含各个方方向上平均均振幅相等等的电场矢矢量。在自自然光中的的部分偏振振光可以看看成是偏振振光和非偏偏振光的混混合，用偏偏振度来描描述。由自然光得得到偏振光光的过程称称为起偏，，所用器件件为起偏器器，常见起起偏方式有有以下几种种：（1）基于于晶体双折折射原理的的起偏，这这是最有效效的一种起起偏方式，，我们将在在以后关于于晶体光学学与光调制制的章节中中加以详细细讨论。(2)布儒儒斯特（Brewster））角起偏，，这是利用用光在界面面上的反射射与吸收过过程使自然然光起偏，，以获得偏偏振光的一一种方式。。如图2.3所示，，当自然光光入射到折折射率分别别为nl，，n2的的两种介质质界面上时时，若将入入射光分为为平行和垂垂直入射面面的两部分分振动，其其反射光和和折射光都都变成了部部分偏振光光。介质表表面对垂直直和平行入入射面的电电场分量的的反射率均均是入射角角θ1的函函数，相互互关系如图图2.3(c)所所示。尤其其是在某一一特定角θθ1=θθB时，，平行分量量的反射率率为0，反反射部分只只剩下垂直分分量，成为为线偏光，，这一角度度θB称为为布儒斯特特角。根据据斯涅耳（（Snell）定理理此时，反反射光与折折射光互相相垂直，于于是可得sinθB=n2/n1(2.6)这成为布儒儒斯特定律律。图2.3反反射与吸吸收起偏2.3.3干涉和和衍射当两束光彼彼此的频率率相同、振振动方向相相同、相位位相同或相相位差恒定定，就形成成了干涉。。两束光干干涉所得光光强为I=E20l+E202+2E01E02cos(φ2-φ1)=I1+I2+2cos(φ2-φ1)（（2.7）式中I为光光强度；E为光波的的振幅；φφ为入射光光的角度；；本公式的的后一项称称为干涉项项，它决定定了I可以以大于I1＋12，，也可以小小于I1＋＋12，具具体值由相相位差△φφ＝决定：：当两束光彼彼此的频率率相同、振振动方向相相同、相位位相同或相相位差恒定定，叠加在在一起就形形成了干涉涉，结果能能使光的强强度得到加加强，这称称为光的相相干相长现现象；也能能使光的强强度被减去去，这称为为光的相干干相消现象象。两束光光干涉相长长的条件是是△φ=2πδ/λ=2πm（（m=0,±1,±2,…）(2.8a)或δ=mλλ（（m=0,±1,±2,…）(2.8b)式中，δ为为光程差。。两束光干涉涉相消的条条件是△φ=(2m+1)ππ（（m=0,±±1,±2,…）(2.9a)或δ=λ(2m+1)/2（（m=0,±1,±±2,…））(2.9b)光线线不不仅仅会会直直射射，，也也会会绕绕射射。。把把不不透透明明的的物物体体放放在在光光源源和和观观察察屏屏之之间间，，就就会会发发现现投投射射在在屏屏幕幕上上的的影影子子并并不不十十分分清清晰晰，，这这种种使使光光绕绕过过障障碍碍物物，，进进入入几几何何阴阴影影区区的的现现象象称称为为光光的的衍衍射射。。衍射射现现象象与与光光的的干干涉涉有有关关，，衍衍射射的的本本质质可可用用惠惠更更斯斯一一菲菲涅涅耳耳原原理理解解释释：：光光波波在在介介质质中中传传播播的的各各点点均均可可视视为为产产生生子子波波的的新新波波源源，，同同一一波波面面前前上上的的各各点点发发出出的的子子波波传传播播到到空空间间某某一一点点时时，，各各子子波波间间也也可可以以互互相相叠叠加加而而产产生生干干涉涉现现象象，，由由于于波波面面前前边边缘缘各各点点发发出出的的子子波波离离开开轴轴心心，，所所以以边边缘缘部部分分的的波波发发生生某某些些弯弯曲曲，，后后续续的的波波前前越越来来越越弯弯曲曲，，因因而而发发生生了了衍衍射射现现象象。。2.4光光也是是一种种粒子子—光光子人们在在解释释黑体体辐射射、光光电效效应等等涉及及到光光和其其它形形式的的物质质相互互作用用的现现象时时，逐逐渐认认识到到光也也可以以是一一种粒粒子，，光不不仅具具有波波动的的特性性，同同时也也具有有粒子子的特特性。。根据据这样样的认认识导导致出出现了了光子子学说说。光光子学学说理理论认认为，，光是是由一一群以以光速速c运运动的的光量量子（（简称称光子子）所所组成成。关关于光光子的的基本本性质质可以以归纳纳为以以下几几个方方面：：（1））光子子具有有能量量E，，其能能量与与一定定的光光频率率υ相相对应应，如如式（（2.10）所所示。。E=hυ（（2.10）式中：：h为为普朗朗克常常数，，h=6.626××10-34J··s。。（2））光子子具有有质量量。从从固体体物理理观点点，质质量可可分为为静态态质量量和动动态质质量两两类。。光子子静态态质量量为零零，光光子动动态质质量m与光光子能能量E（或或光的的波长长λ））的关关系为为m=E/c2=hυ/c2=h/cλ（（2.11）(3)光子子具有动量量p，其动动量与光波波长λ有有关，或者者与传播方方向k有关关，可表示示为p=n0h/λ=ħħk（（2.12）式中：n0为光子行行进方向上上的单位矢矢量；ħ=h/2ππ；k=n0(2π/λ)。(4)光子子具有自旋旋的特性，，其自旋的的量子数为为整数，所所以光子的的集合服从从玻色一爱爱因斯坦（（Bose-Einstein）统计计规律。波长为λ的的光是质量量为m=h/cλ,能量为E=hυ,动量为为p=(h／λ)no的光子子的集合体体，光的传传播实际上上是光子的的辐射流。。光子学说说理论可以以解释光的的发射、光光的吸收、、光电效应应等与光和和物质相互互作用有关关的诸多现现象。按照量子理理论，光子子是组成光光辐射场的的基本物质质单元。组组成光辐射射场的巨大大数量的光光子分别处处于各自不不同的光子子统计状态态。光子的的运动状态态简称为光光子态，光光子态是按按光子所具具有的不同同能量（或或动量数值值）、光子子行进的方方向以及偏偏振方向分分别进行区区分。处于于同一光子子态的光子子彼此之间间是不可区区分的。由由于光子是是玻色子（（其自旋量量子数为整整数1），，在其光子子集合中，，光子数按按其运动状状态的分布布不受泡里里不相容原原理的限制制，可以有有多个光子子处于同一一种光子态态上，这种种现象称为为简并。对于光频率率波段，在在常温（例例如T=25℃℃）下，普普通热光源源的光子简简并度极低低。采用特特别的方法法，也有可可能在光频频段获得极极高的简并并度，形成成一种新的的光源，这这就是我们们将在以后后的章节要要介绍的光光的受激辐辐射现象。。这种高简简并度的新新光源发出出的光，单单色亮度高高，大量光光子处于相相同的光子子态，有确确定的运动动方向、频频率和偏振振，称之为为相干光。。相干光比比起通常情情况下存在在的非相干干光有诸多多优越性。。应当指出，，单独用经经典的波或或粒子概念念之一去描描述光，都都不足以完完满地解释释光的全部部现象，必必须同时考考虑到光所所具有的““波粒二重重性”，即即需要顾及及到光不仅仅具有波动动性，而且且还具有粒粒子性的双双重特性。。式(2.10)和和式(2.12)把把光的双重重性质—波波动性和粒粒子性联系系起来，频频率υ和波波长λ是描描述波动性性的，而能能量E和动动量p则是是描述粒子子性的。波动性和粒粒子性是光光的客观属属性，两者者总是同时时存在的。。只不过在在一定条件件下，波动动的属性表表现明显，，而当条件件改变时，，粒子的属属性又变得得明显。例例如，当光光在传播过过程中，其其波动性明明显，这时时往往把光光看成由一一列一列的的光波组成成，其表现现出的干涉涉、衍射和和偏振等现现象可用波波动观点来来解释。而而当光和物物质相互作作用时，这这时往往又又把光看成成是由一个个一个光子子组成的粒粒子流，光光的粒子性性表现明显显。有关光光的黑体辐辐射、吸收收光谱和光光电效应等等现象有时时更适合用用粒子观点点来解释。。根据上面所所说的，我我们已经可可以认识到到现在所说说光于光的的粒子和波波动，已不不再是牛顿顿微粒说中中的粒子，，也不再是是惠更斯所所理解的波波动。全面面的理解应应该是粒子子中渗透着着波动性，，波动中渗渗透着粒子子性，它们们所包含的的意义比原原来的粒子子和波动深深刻得多。。2.5光光电子的传传播电子学的研研究对象是是电子以及及它以高频频振荡的电电波。而光光电子学的的研究对象象则是光子子（或是与与之相关的的载流子））。光子既既具有光的的粒子性，，又具有与与电波一样样的电磁波波的波动性性质。但是两者在在本质上还还是完全不不相同。1)虽然然同样是电电磁波，但但其频率（（波长）相相差很大。。2)光电电子作为一一种电磁波波，其频率率高，粒子子性比波动动性更加明明显。3）电波波和电子子的波导导一般是是由金属属导体传传输，而而光波和和光子的的波导由由电介质质，也就就是由非非金属导导体传输输。尽管光与与电波、、X射线线一样，，都是电电磁波，，但是一一直到激激光出现现以前所所谓光都都只是自自然光，，与现存存的人为为形成并并且相位位一致的的电波相相比，它它们是杂杂乱无章章的、相相位不整整齐的，，我们可可以把它它称为““噪声光光”。典典型的噪噪声光如如象打雷雷时出现现的闪电电和带有有各种频频率成分分的火花花放电。。自然光光中的白白光具有有的频谱谱成分，，如同火火花放电电那样，，其连续续性是由由无数伴伴有衰减减振动的的脉冲光光集合而而成。最能明确确地能够够表示光光与电波波的不同同之点，，大概就就是频率率或波长长的差别别了。用υ表示示波的传传播速度度，一切切波动（（不仅是是电波和和光之类类的电磁磁波，而而且包括括声波））的波长长λ与频频率f（（也称为为振动次次数）之之间，都都有关系系式υ=λλf（（2.13））当质点的的传播方方向与其其质点作作垂直振振动的方方向形成成直角时时，形成成的是一一种横波波。光波波和电波波之类的的电磁波波，以高高频率振振动的电电场与磁磁场组合合成横波波可以在在自由空空间传播播，如图图2.4所示。。图2.4光是是由电场场与磁场场组合成成的电磁磁波图2.5光和和电波等等电磁波波在空间间的传播播方式光在某一一时刻的的状态，，可用电电场矢量量、磁场场矢量和和传播矢矢量来描描述。图图2.4就表示示了光的的一种状状态。我我们已知知了电磁磁波在真真空中传传播的速速度称为为光速，，以c表表示。光光在不同同的介质质中进行行传播。。以光速速表示在在折射率率为n的的介质中中传播的的电磁波波速度υυ为υ=c/n(2.14)通常，介介质的折折射率是是频率f的函数数，因此此，电磁磁波频率率改变时时，折射射率也随随之改变变。在可可见光的的情况下下，频率率改变就就是颜色色改变。。介质的的折射率率n介介质材料料的性质质有关，，介质的的介电常常数用εε,真空空中的介介电常数数用ε。。表示它它们的关关系为n=(2.15)从图2.4中，我们们可以看到到电场、磁磁场、传播播方向是相相互正交的的，它们符符合左手定定则，以中中指表示电电场方向，，食指表示示磁场方向向，则拇指指表示电磁磁波传播方方向。不管管何种电磁磁波，其理理论基础都都相同，在在自由空间间中电磁波