光学基础知识与光场传播规律课件

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

第二讲物理与微电子科学学院SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience

2012年02月绪论（回顾第一讲内容）

1光电子技术发展简史

光电子技术

信息光电子技术与器件

1.11.31.2光电子技术应用

1.4第二讲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）1.1光电子技术1.2光电子技术发展简史1.3信息光电子技术与器件1.4光电子技术应用第一阶段

光电探测器（光电信号接收）问世：第二阶段激光器诞生及发展：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”

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

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

1.1光电子技术1.2光电子技术发展简史1.3信息光电子技术与器件1.4光电子技术应用按信息传递各个环节划分对应相应技术器件1.1光电子技术1.2光电子技术发展简史1.3信息光电子技术与器件1.4光电子技术应用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1.1光电子技术1.2光电子技术发展简史1.3信息光电子技术与器件1.4光电子技术应用光调制技术—光信息系统的信号加载与控制（七、八、十讲）

光电显示技术（十三、十四、十五讲）

光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲）光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲）绪论（一讲）

1光学基础知识与光场传播规律（二讲）

2激光原理与技术（三、四、五讲）

3光波导技术基础（六、七讲）

4第二讲讲授内容表面等离子体共振现象与应用的探究（二十三讲）

5光电探测技术（十一、十二讲）

678910连续可调太赫兹超常材料宽带低损超吸收器（二十四讲）

11

绪论

1光学基础知识与光场传播规律

2光学基础知识

2.12.3

2.22.42.5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2.62.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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；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；2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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：2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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

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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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）2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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偏振光从光密介质向光疏介质入射——n1>n2

入射角>临界角——1>c

入射光能量全部被界面反射回光密介质（光纤工作原理）n2

n1

2=90折射、反射定律包括两方面的内容全反射2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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

反射独立性原理叠加性相干性（干涉）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。2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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，位相相同叠加原理独立性原理叠加性相干性（干涉）2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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偏振位相差恒定，与时间无关：平均强度

干涉项叠加原理独立性原理叠加性相干性（干涉）2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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偏振讨论：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）平均强度2-1

与t无关

独立性原理叠加性相干性（干涉）2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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

干涉项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？2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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）

(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光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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。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。·*光的衍射现象惠更斯−菲涅尔原理2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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偏振菲涅耳衍射（近场衍射）夫琅和费衍射（远场衍射）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偏振暗纹则例：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；

解：狭缝两边缘处，衍射角两光光程差为：求：写出各级暗条纹对应衍射角满足条件；

光的衍射现象惠更斯−菲涅尔原理2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束纵波：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；2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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。2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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(1)麦克斯韦微分方程2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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零1234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。(2)物质方程2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束介电常（或电容率）=r0

磁导率，非铁磁物质=0

电导率J电流密度Js面电流

密度描述物质在场作用下特性的关系式。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。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：线性特性非色散特性均匀性各向同性空间非色散性

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。

2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束线性特性非色散特性均匀性各向同性空间非色散性

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。2.3.1电介质的特性2.3.2电介质的分类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

2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束波动方程（麦克斯韦微分方程）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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束D电位移矢量J电流密度矢量P电极化强度电荷密度

介电常=r0

磁导率，非铁磁物质=0

电导率J电流密度物质方程阻尼项

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线性，非色散，均匀，各向同性电介质同样得磁场方程波动方程2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束波动方程物质方程麦克斯韦微分方程电场方程磁场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有源波动方程

无源波动方程场辐射来源于源激励波动方程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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束电导率（电荷密度,电流密度J不为0）电荷密度（电荷密度、电流密度J=0）

有源扩散方程

无源扩散方程系统为低频缓变电磁场

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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束波动方程（电导率,电荷密度,电流密度J不为0）（电导率≠0,电荷密度、电流密度J=0）

恒定场

不随时间变化场

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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束波动方程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有，过程略时谐条件此处频域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，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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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>>

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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束波动方程平面波等相面（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k波矢，r传播方向距离2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束边界连续条件

自由电荷面密度

自由电荷线密度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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束

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。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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束2.6.1高斯光束2.6.2高斯光束的性质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。

2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束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。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2.1光学基础知识

2.2麦克斯韦方程2.3电解质2.4波动方程2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束2.6.1高斯光束2.5.2