《光电子技术（第5版）》全套教学课件

光电子技术01第1章光辐射与发光光源102第1章光辐射与发光光源203第1章光辐射与发光光源304第2章

光辐射的传播105第2章

光辐射的传播206第2章

光辐射的传播307第2章

光辐射的传播408第3章

光束的调制和扫描109第3章

光束的调制和扫描210第3章

光束的调制和扫描311第3章

光束的调制和扫描412第4章

光辐射的探测技术13第5章

光电成像系统14第6章

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光辐射、发光源与光传播基本定律第一章全套可编辑PPT课件

本章内容1.1电磁波谱与光辐射1.2辐度学与光度学基本知识1.3热辐射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光频电磁波的基本理论和定律1.1.1电磁波的性质与电磁波谱横波特性电场、磁场、传播方向构成右手螺旋系

偏振特性电场、磁场分别在各自平面内振动和作周期性变化，而且相位相同

和的量值关系

1.1.1电磁波的性质与电磁波谱电磁波段的详细划分及用途频率与波长的关系:vλ

=c----真空中的光速

1.1.1电磁波的性质与电磁波谱1、电磁辐射（电磁波）：以巨大速度通过空间、不需要任何物质作为传播媒介的一种能量

2、电磁辐射的性质：具有波、粒二向性

波动性：粒子性：1.1.1电磁波的性质与电磁波谱3．电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列γ射线→X射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波

波长短长1.1.2光辐射(1)光源（发光的客体）

光源的种类按获得方式：天然光源、人造光源

按光谱成份：单色光源、复色光源、白光光源

按相干性：相干光源、非相干光源

按几何线度：点光源、扩展光源（线光源、面光源）

(2)光辐射（发光过程）

热辐射（温度辐射）：具有一定温度的物体所产生的一种自发辐射

非热辐射：场致发光、荧光、磷光、化学发光、生物发光等发光过程

说明：热辐射具有普遍性，但实际发光过程可能是多种发光过程的并存1.1.2光辐射（3）光波场的光谱范围

电磁辐射的波长范围：10-2纳米（nm）～公里（km）

光辐射的波长范围：亚纳米级的X射线～微米级的远红外辐射，其中：

X射线：亚纳米～纳米

紫外线：近（200～390纳米）、远（1～200纳米）

可见光：390～760纳米

紫

蓝

青

绿

黄

橙

红

红外线：近（0.76～1微米）、中（1～10微米）、远（>10微米）

1.1.2光辐射(4)光辐射的光谱类型

单色光：只有单一波长成分的光

非单色光：具有多种波长成分的光

复色光：由几种单色光成分构成的非单色光

白光：由各种可见光波长成分构成的非单色光光谱：非单色光的波长（频率）分布

线状光谱：由分立波长（频率）成分组成

连续光谱：由连续波长（频率）成分组成

说明：热辐射光谱（热光源）——连续光谱

原子光谱或气体放电光谱——线状光谱

线状光谱的特点：每个波长成分反映了发光成分的一条特征谱线

1.1.2光辐射谱线宽度：每条谱线的强度分布具有一定的波长（频率）范围，波长（频率）越小，表示光的单色性越好。

准单色光：实际中并不存在理想的单色光，通常所谓的单色光，只是当谱线宽度很小时的窄带光。

卤素灯发光光谱红宝石激光光谱谱1.1.2光辐射本章内容1.1电磁波谱与光辐射1.2辐度学与光度学基本知识1.3热辐射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光频电磁波的基本理论和定律1.2辐度学与光度学基本知识辐射度学(Radiometry)：研究各种电磁辐射强弱的一门科学

光度学(Photometry)：研究可见光辐射强弱的学科—辐射度学的一部分辐射度单位体系:辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。光度单位体系:是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。物理概念不同，所用符号一一对应1.2.1辐度量①辐射能Qe

②辐射通量

e

③辐射出射度Me

④辐射强度Ie

⑤辐射亮度Le

⑥辐射照度Ee

⑦单色辐射度量

Xe

1.2.1辐度量①辐射能Qe

是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。

当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等

单位：焦耳J②辐射通量又称为辐射功率，是辐射能的时间变化率，表征单位时间内发射、传播或接收的辐射能

单位：瓦特W，或焦耳/秒J/s1.2.1辐度量③辐射出射度Me辐射体在单位面积内所辐射的通量，是反映物体辐射能力的物理量

单位：瓦特每平方米（W/m2）

面光源向半球面空间发射的总辐射通量为多少？1.2.1辐度量④辐射强度Ie在单位时间内、给定方向上、单位立体角内所辐射出的通量

单位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）

点光源在有限立体角Ω内发射的辐通量为多少？？

！！针对点辐射源定义的

1.2.1辐度量⑤辐射亮度Le定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量

表示为辐射表面定向发射的辐射强度与该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积的比值

单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）

1.2.1辐度量⑥辐射照度Ee投影在单位面积上的辐射通量，或照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。

单位：瓦特每平方米（W/m2）

辐照度与辐出度的区别和联系？辐照度是指从物体表面接收辐射通量

辐出度是指从面光源表面发射辐射通量

1.2.1辐度量

也叫辐射量的光谱密度，是辐射量波长的变化率。

与辐射度量采用同样的物理量表示，只是均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量——光谱辐射度量

例如光谱辐射通量Φe,λ:光源发出的光在每单位波长间隔内

的辐射通量，也称为光谱密度或单色辐射通量

在整个光谱内，总的辐射通量为

1.2.2光度量由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果最终是以人眼来评定的，因此，照明光源的光学特性必须用于基于人眼视觉的光学

参数量——光度量来描述

光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。

能量相同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不同的。

1.2.2光度量①视见函数或光视效率

②光通量

③光出射度M

⑤发光强度I

④光亮度L

⑥光照度E

1.2.2光度量①视见函数或光视效率人眼对各种波长的光的感觉灵敏度是不一样的

一般而言，对绿光最灵敏，而对红光较差

光度量与辐射度量之间的关系用光视效能与光视效率表示。光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。在辐射频率540

1012Hz（波长555nm）处，K

有最大值，其数值为Km=683lm/W，视见函数（光视效率）1.2.2光度量①视见函数或光视效率标准适光性视见函数值

1.2.2光度量辐射量度与光量度的关系本章内容1.1电磁波谱与光辐射1.2辐度学与光度学基本知识1.3热辐射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光频电磁波的基本理论和定律1.3热辐射基本定律任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波；由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射；热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区延伸到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。1.3.1单色吸收比和单色反射比任一物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐射能;当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射;如果物体是透明的，则还有一部分能量透射。

吸收比：被物体吸收的能量与入射的能量之比；

单色吸收比αλ

(T)

：在波长λ到λ

+d

λ范围内的吸收比

反射比：被物体反射的能量与入射的能量之比

单色反射比

λ

(T)：在波长λ到λ

+d

λ范围内的反射比1.3.1单色吸收比和单色反射比对于不透明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1

αλ

(T)+

λ

(T)=1黑体：物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即αλ

(T)恒等于1。1.3.2基尔霍夫辐射定律在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。

为黑体的单色辐射出射度。1.3.3普朗克公式黑体处于温度T时，在波长λ处的单色辐射出射度，由普朗克公式给出第一辐射常数第二辐射常数对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）；黑体辐射单色辐射出射度的波长分布单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大；单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。1.3.3普朗克公式普朗克公式中，当λT很大时；得到适合于长波长区的瑞利-琼斯公式时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。1.3.4瑞利-琼斯公式1.3.5&1.3.6维恩公式&位移定律普朗克公式中，当λT很小时；得到适合于短波长区的维恩公式时，维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。单色辐射出射度最大值对应的波长λm,由得到1.3.7斯忒藩-玻尔兹曼定律黑体的辐射出射度*斯忒藩-玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。其中为斯忒藩-玻尔兹曼常数。1.3.8色温色温度表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，单位为K；色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度；色温度并非热辐射光源本身的温度；色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定的波长不同，色温度往往也不相同；非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。光辐射、发光源与光传播基本定律第一章本章内容1.1电磁波谱与光辐射1.2辐度学与光度学基本知识1.3热辐射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光频电磁波的基本理论和定律1.4激光基本原理1.4.1激光产生的物理基础1、光子的基本性质

（一）、光既是粒子又是波，具有波粒二象性！1、能量2、质量3、动量4、两个独立的偏振态5、有自旋，量子数为整数，服

从玻色—爱因斯坦分布Comptom散射实验1.4.1激光产生的物理基础（二）、光的粒子性和波动性的统一：量子电动力学的理论，将电磁场量子化1、电磁场的本征模式：具有基元能量和基元动量的物质单元即属同一本征模式的光子；

2、具有相同动量和相同能量的光子彼此不可区分，属同一模式（状态）

3、处于同一模式或状态的腔内光子数目是没有限制的

4、任意电磁场可以看作一系列单色平面波或本征模式的线性叠加

1.4.1激光产生的物理基础（三）、光波模式——波动性2、自由空间中的电磁波:任意波矢的平面波均可以存在!3、受边界条件限制空间的电磁波：一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。即只允许驻波光模式存在！4、光波模式：能存在于腔内的以波矢k为标志的电磁波模式,同一k又由于对应两个独立的偏振态。1、麦氏方程的解

特解：单色平面波

通解：一系列单色平面波的叠加

5、体积为V

的空腔中的光波模式数:光波模式的波矢空间表示。1.4.1激光产生的物理基础（四）、光子态——粒子性1、经典力学中粒子运动状态的描述用六维相空间的一个点，即广义笛卡尔坐标（x、y、z、px、py、pz）描述！

2、光子运动状态的描述受测不准关系的限制，其坐标和动量不能同时准确测定！

（1）一维运动时：在的二维相空间面积元内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。

（2）二维运动时：在的四维相空间面积元内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。

1.4.1激光产生的物理基础（四）、光子态——粒子性（3）三维运动时：在的六维相空间体积元内的粒子状态在物理上不可区分，故属于同一种光子状态。

（4）相格：一个光子状态对应的相空间体积元，是用任何实验所能分辨的最小尺度。

说明：光子的运动状态只能定义在相格中，但不能确定它在该相格中的精确位置！

（6）相格空间体积：一个相格所占的坐标空间体积。（5）相空间体积元1.4.1激光产生的物理基础2、光子的相干性和光子简并度（一）光的相干性的分类

（1）时间相干性：波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。

（2）空间相干性：波场中不同点在同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。1.4.1激光产生的物理基础2、光子的相干性和光子简并度（二）相干性的粗略描述——相干体积（1）相干体积Vc：若在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显的相干性，则Vc称为相干体积。双缝干涉实验中的条纹可见度要高，必须要求光波有明显的相干性，即要满足:

1.4.1激光产生的物理基础2、光子的相干性和光子简并度（二）相干性的粗略描述——相干体积

则光源相干面积为：

则光源相干体积为：

属于同一光子态的光子是相干的，应包含在相干体积内，相格空间体积等于光源的相干体积。

1.4.1激光产生的物理基础2、光子的相干性和光子简并度（三）光子简并度（1）好的相干光源的衡量标准：相干光强高、相干面积大、相干时间长。（2）激光光源：是把大的相干光强与好的相干性结合起来的强相干光源。（3）相干光强：是描述光的相干性的参量之一，其大小取决于具有相干性的光子数的数目或同态光子的数目。（4）光子简并度：处于同一光子状态的光子数目（同一光波模式内的光子数/同一相干体积内的光子数/同一相干体积内的光子数）。（5）相干光强与光子简并度的关系：相干光强的大小取决于光子简并度的大小，光子简并度越大，则相干光强越大。1.4.1激光产生的物理基础3、光的受激辐射基本概念（一）原子能级及粒子数分布*原子的能量状态取一系列分立值。每一个能量状态称为原子的一个能级，其中最低的能级称为基态，高于基态的能级称为激发态。在热平衡状态下，各能级上的粒子数布居服从一定的统计规律。光吸收与光辐射过程：能级跃迁过程

吸收或辐射的光子能量与能级差的关系：

1.4.1激光产生的物理基础3、光的受激辐射基本概念（一）原子能级及粒子数分布T：热平衡温度；Nn：能级En上的粒子数布居；

kB：玻耳兹曼常数。在热平衡状态下气体原子体系的粒子数布居满足玻耳兹曼分布：

两个能级E1与E2上的粒子数分布之比：

当E2>E1时，N2<N1。表明在热平衡状态下高能级上的粒子数布居总是小于低能级，且两者的比例取决于体系的温度。

一般地，在热平衡状态下，几乎所有的原子都处于最低能态——基态。

1.4.1激光产生的物理基础3、光的受激辐射基本概念（二）自发辐射

自发辐射是个随机过程，处于高能级的各个原子随时地、独立地向低能级自发跃迁，所发射的光子是非相干的。

自发辐射光子的能量和频率别满足：

1.4.1激光产生的物理基础3、光的受激辐射基本概念（三）受激吸收

1.4.1激光产生的物理基础3、光的受激辐射基本概念（四）受激辐射

*受激辐射光子与入射光子具有相同的模式，即同频率、同相位、同偏振态，因而是相干的。*受激辐射与受激吸收互为逆过程，两者同时发生，同时存在。1.4.1激光产生的物理基础3、光的受激辐射基本概念（五）爱因斯坦基本关系自发辐射过程：原子体系单位时间内从能级E2跃迁到能级E1的粒子总数只与E2上的粒子数分布N2成正比，与辐射场无关

A21、B12、B21：爱因斯坦系数

1.4.1激光产生的物理基础3、光的受激辐射基本概念（五）爱因斯坦基本关系在热平衡状态下，原子体系在单位时间内受激吸收的光子数应等于自发辐射和受激辐射的光子数总和。由玻耳兹曼分布律得：

1.4.1激光产生的物理基础3、光的受激辐射基本概念（五）爱因斯坦基本关系由普朗克量子辐射公式：

可得爱因斯坦基本关系式：

1.4.1激光产生的物理基础3、光的受激辐射基本概念（六）受激辐射的相干性自发辐射是个随机过程，处于高能级的各个原子随时地、独立地向低能级自发跃迁，所发射的光子是非相干的；自发辐射的传播方向和偏振方向是无规则分布的，自发辐射能量平均分配在腔内所有模式上；

受激辐射场与入射辐射场具有相同频率、相位、偏振态和传播方向，受激辐射场与入射辐射场是同一模式；受激辐光子与入射光子属于同一光子态，因而是相干的。1.4.2激光产生的基本原理和方法1、激光器的基本结构实现激光发射的两个必备条件：受激辐射的产生和放大。激光器：能够实现受激辐射产生和放大的器件或装置。激光振荡器：具有一个光学谐振腔，由受激辐射产生的光在腔内多次往返而形成持续的激光振荡。

激光放大器：自身不具有光学谐振腔，只能使来自其他激光器输出的激光信号通过增益介质而获得单次或有限次的行波式放大

通常的激光器，一般指激光振荡器，在某些情况下则是指由激光振荡器和放大器组成的组合系统

1.4.2激光产生的基本原理和方法1、激光器的基本结构激光振荡器的主要组成：增益介质+激励源+光学谐振腔说明：仅有激励源、增益介质和光学谐振腔还不一定能输出激光。只有使受激辐射的增益大于其损耗，才能使受激辐射在谐振腔内来回反射时，强度不断增大，最后输出激光。

1.4.2激光产生的基本原理和方法2、光学谐振腔及其选模作用光学谐振腔：装在增益介质两端的一对反射率很高的反射镜，结构相当于一个法布里-珀罗标准具。其中一个为全反射镜，反射率接近100%；另一个为部分反射镜，反射率约80%左右。光学谐振腔的作用：

①实现光的正反馈

②对输出光束的波长进行选择——高度单色性

③使输出光束的定向——高度方向性

1.4.2激光产生的基本原理和方法工作原理：当增益介质产生的受激辐射到达两端的反射镜面时，将被再次反射回增益介质，从而继续诱发新的受激辐射。被进一步放大的受激辐射在谐振腔中来回振荡，同时不断地诱发新受激辐射，使之雪崩似地获得放大，产生强烈的激光，并从部分反射镜一端输出。2、光学谐振腔及其选模作用1.4.2激光产生的基本原理和方法3、光放大物质的增益系数和增益曲线粒子束反转：因E2>E1所以n2<n1，在热平衡状态下，高能级粒子集居数恒小于低能级集居数;只有当外界向物质提供能量(称为激励或泵浦过程)，从而使物质处于非平衡状态时,n2>n1激活物质:处于粒子数反转状态的物质放大器:一段激活物质光放大的增益系数：

z处的光强：增益物质的光放大1.4.2激光产生的基本原理和方法

均匀加宽物质非均匀加宽物质3、光放大物质的增益系数和增益曲线增益饱和与自激振荡1.4.2激光产生的基本原理和方法4、光的自激振荡光放大的同时，还存在着光的损耗，同时考虑增益和损耗时

与放大器本身的参数有关，与初始光强无关,弱初始光强+足够长放大器=确定大小的光强*一个激光器应包含泵浦源、光放大器和光学谐振腔三部分。其作用分别是使激光物质成为激活物质、对弱光信号进行放大、模式选择和提供轴向光波模的反馈。1.4.3开放式光学谐振腔和高斯光束开放式光学谐振腔：其侧面没有光学边界(这是理想化的处理方法)的光学谐振腔，比如F-P腔、共轴球面腔等。分类：稳定腔、非稳定腔和临界腔1、腔的损耗①几何偏折损耗；②衍射损耗③腔镜反射不完全引起的损耗，包括镜中的吸收、散射以及镜的透射损耗④材料中的非激活吸收、散射、腔内插入物(如布儒斯特窗、调Q元件、调制器等)引起的损耗。1.4.3开放式光学谐振腔和高斯光束1、腔的损耗

t时刻的光强：从0到t时刻光在腔内往返的次数：

1.4.3开放式光学谐振腔和高斯光束1、腔的损耗设t时刻腔内光子数密度为N

，

N与光强I(t)的关系为t时刻，腔内的光子数密度：

计算出所有n个光子的平均寿命为：

损耗越小Q值就越高1.4.3开放式光学谐振腔和高斯光束2、共轴球面腔的稳定条件稳定腔（腔的损耗低）：满足条件

临界腔（极限情况，有重要意义）：满足条件具有代表性的临界腔有对称共焦腔、平行平面腔和共心腔。共焦腔（稳定腔）：最有代表性的一种稳定腔。稳定球面腔的模式理论的基础。共轴球面腔的稳定图非稳定腔（几何损耗高）：满足条件1.4.3开放式光学谐振腔和高斯光束3、腔模的物理概念和腔内行波横模（自再现模）：谐振腔内光场沿横向的稳定分布；开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布，由腔的一个镜面上的场所产生的、并沿着腔的轴线传播的行波场，用TEMmn表示。*在一定边界条件下，麦克斯韦方程组的稳定解思考题：怎么理解纵模？1.4.3开放式光学谐振腔和高斯光束4、对称共焦腔基模高斯光束的特征（1）振幅分布和光斑尺寸对称共焦场基模的振幅分布：共焦腔场基模的振幅在横截面内由高斯分布函数所描述，称为高斯光束光斑尺寸（基模腰斑半径）：在共焦腔镜面上:1.4.3开放式光学谐振腔和高斯光束4、对称共焦腔基模高斯光束的特征（2）模体积：描述该模式在腔内所扩展的空间范围：共焦腔基模的模体积：模体积越大，对该模式的振荡有贡献的激发态粒子数就越多，可能获得大的输出功率;模体积小，则对振荡有贡献的激发态粒子数就少，输出功率也就小。1.4.3开放式光学谐振腔和高斯光束4、对称共焦腔基模高斯光束的特征（3）等相位面分布

1.4.3开放式光学谐振腔和高斯光束4、对称共焦腔基模高斯光束的特征（4）远场发散角共焦腔的基模光束按双曲线规律从腔的中心向外扩展，基模的远场发散角：包含在发散角内的功率占基模光束总功率的86.5%；理论发散角具有毫弧度的量级光辐射、发光源与光传播基本定律第一章本章内容1.1电磁波谱与光辐射1.2辐度学与光度学基本知识1.3热辐射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光频电磁波的基本理论和定律1.5典型激光器1.5.1固体激光器

气体放电灯激励的固体激光器

1.光泵激励作用：把基态的粒子抽运到激发态分类：气体放电灯，半导体激光器1.5典型激光器1.5.1固体激光器

端面泵浦阔值功率低，效率高。侧面泵浦半导体激光器阵列作泵浦源1.5典型激光器1.5.1固体激光器2.红宝石激光器红宝石是掺有少量Cr2O3(质量比约为0.05%)的Al203

晶体

Cr3离子的能级图：三能级694.3nm1.5典型激光器1.5.1固体激光器3.钕激光器三价钕离子作为激活粒子Nd3离子的能级图：四能级

1.5典型激光器1.5.1固体激光器4.钛宝石激光器钛宝石(Ti:Al2O3)中，少量Ti离子(1.2%)取代了Al2O3中的Al3+离子。钦宝石能级图连续可调固体激光器：660~1180nm；激光泵浦：氧离子激光器，Nd:YAG…；锁模激光器：极窄的脉宽（fs）1.5典型激光器1.5.2气体激光器气体激光器是以气体或金属蒸气作为工作物质的激光器工作物质光学均匀性好；光束的方向性好、单色性好；体积比较庞大；常采用气体放电泵浦1.5典型激光器1.5.2气体激光器1.He-Ne激光器内腔式He-Ne激光器He原子和Ne原子的能级可见光及红外波段：632.8nm、1.1.15

m和3.39μm结构简单、体积较小、价格低廉；输出功率：毫瓦量级；工作物质尺寸、谐振腔损耗、输出耦合、气体放电参数、充气气压和比例、毛细管的管径1.5典型激光器1.5.2气体激光器2.Ar+激光器Ar+

离子能级图最强488nm和514.5nm大电流弧光放电激发：集中在毛细管中心1~2mm范围内；石墨和氧化铍陶瓷毛细管：耐高温、导热性好、抗溅射和气密性好。钨盘-陶瓷Ar+

激光器1.5典型激光器1.5.2气体激光器工作物质：CO2

、N2

和He的混合气体；输出波长：大气窗口（1.06μm）；输出功率：可高达20kW广泛应用于激光加工、医疗、

大气通信及军事领域3.CO2

激光器CO2和N2分子能级图1.5典型激光器1.5.3半导体二极管激光器

优点体积小、寿命长、输出功率大、效率高；采用简单的电流注入方式泵浦；可与集成电路单片集成；高速率直接调制（GHz）；激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光测距和激光雷达;热平衡状态下直接帘'隙半导体的能带结构及电子占据能带的情况1.5典型激光器1.5.3半导体二极管激光器1.双异质结激光器半导体激光器输出功率随注入电流的变化曲线双异质结A1GaAs/GaAs激光器结构2.量子阱激光器1.5典型激光器1.5.4光纤激光器

优点型化、散热快、损耗低、激光阈值低；输出激光波长多；可调谐性、谐振腔内无光学镜片；无须热电制冷和水冷；在激光光纤通信、激光空间、远距通信、军事国防安全、医疗器械;以掺稀土元素光纤作为增益介质的激光器。1.5典型激光器1.5.4光纤激光器工作物质：掺杂离子有Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+;不同掺杂粒子输出波长不同。谐振腔：光纤光栅，分为单模和多模光纤光栅谐振腔；简化结构、窄化线宽、提高信噪比；输出功率密度达到30MW/cm2

泵浦结构：①单模光纤、端面泵浦②多模光泵浦、单模光输出③侧面泵浦本章内容1.1电磁波谱与光辐射1.2辐度学与光度学基本知识1.3热辐射基本定律1.4激光基本原理1.5典型激光器1.6光频电磁波的基本理论和定律1.6.1光波的电磁场理论Maxwell方程

(1.113)1波动方程物质方程各向同性介质

r

=1

非磁性介质无源空间,

=0

1.6.1光波的电磁场理论1波动方程各向同性介质、远离辐射源、不存在自由电荷和传导电流的区域，麦克斯韦方程组简化为求解？1.6.1光波的电磁场理论1波动方程各向同性介质、远离辐射源、不存在自由电荷和传导电流的区域，麦克斯韦方程组简化为求解？1.6.1光波的电磁场理论1波动方程(3)代入(1)并进行旋度运算，可得

(1.1-15)

(1.1-16)利用与之间的关系(2式，得

(3)

(2)

(1)1.6.1光波的电磁场理论1波动方程再利用矢量恒等式和物质方程，可得同理对于磁场强度，有均匀各向同性介质中，

=0，上面两式可简化为

1.6.1光波的电磁场理论1波动方程波动方程标量波动方程其中1.6.1光波的电磁场理论1波动方程光电磁波在真空中的速度为介质对光波传播快慢的影响用折射率n表示1.6.1光波的电磁场理论2介质的折射率和光波速度当

能流密度一一坡印亭矢量S，描述光波场能量的传播

1.6.1光波的电磁场理论3光波场的能流密度能流密度的时间平均值，表示为光强（1）平面波1.6.1光波的电磁场理论4波动方程的解——几种特殊形式的光波平面波示意图（2）球面波1.6.1光波的电磁场理论4波动方程的解——几种特殊形式的光波（3）柱面波（4）高斯光束1.6.1光波的电磁场理论4波动方程的解——几种特殊形式的光波1单色光1.6.2光波场的时域频率特性2复色光3准单色光：1平面单色光波的速度1.6.3相速度和群速度2平面复色光波的速度（1）相速度：等相位面的位置随时间的变化率（1）相速度（2）群速度：等振幅面的位置随时间的变化率1平面光波的横波特性1.6.4光波的横波性质和偏振态2平面光波的偏振特性平面光波的电场矢量和磁场矢量均垂直于波矢方向线偏振、圆偏振、椭圆偏振

1.6.5光波在各向同性介质界面的反折射1.

反射定律与折射定律

z均匀平面波在界面的反、折射n1n2

t

i

r

1.6.5光波在各向同性介质界面的反折射1.

反射定律与折射定律

z

t

n1n2

i

r在两种不同介质的界面上，电场、磁场满足边界条件：E1t=E2t和H1t=H2t，即1.6.5光波在各向同性介质界面的反折射1.

反射定律与折射定律相位因子满足振幅因子满足1.6.5光波在各向同性介质界面的反折射1.

反射定律与折射定律Snell定律

进一步，若二介质均为各向同性介质，则有由于在界面上，有，所以上面关系式意味着在界面上的切向分量相等1.6.5光波在各向同性介质界面的反折射2.

菲涅耳公式另外：1.6.5光波在各向同性介质界面的反折射2.

菲涅耳公式1.6.5光波在各向同性介质界面的反折射2.

菲涅耳公式①在小角度(正人射)和大角度(掠入射)情况下，Rs=Rp正人射:掠入射:

④反射率的大小与界面两侧介质的折射率有关。1.6.5光波在各向同性介质界面的反折射3.反射光和折射光的偏振特性①自然光：光波在垂直于传播方向的平面内具有一切可能的振动方向，且在各个振动方向上振动的振幅在观察时间内的平均值相等、初相位完全无关。②部分偏振光：果各个振动方向上振动强度不相等。③完全偏振光：光矢量有确定不变的或规则变化的振动方向。为了表征光波的偏振特性，引人偏振度P对于完全非偏振光，

P=0;对于完全偏振光，P=l;对于部分偏振光，0<P<l，P

越接近于1，光波的偏振度越高。(1)光波偏振的分类和偏振度1.6.5光波在各向同性介质界面的反折射3.反射光和折射光的偏振特性

(2)自然光的反射和折射特性(3)线偏振光的反射、折射特性当线偏振光人射到界面时，把入射光的E

矢量分解成为s

分量和p

分量，由于s

分量和p分量的反射系数不同，相对入射光而言，反射光和折射光的振动面将发生旋转，但反射光和折射光仍为线偏振光。1.6.6几何光学基本定律1.波面、光线和光束2.几何光学基本定律光的直线传播定律光的独立传播定律3.光的反射定律和折射定律1.6.6几何光学墓本定律作业1.1，1.2，1.4，1.6，1.8，

1.14，1.19，1.20，1.21光辐射的传播第二章本章内容2.1光波在大气中的传播2.2光波在电光晶体中的传播2.3光波在声光晶体中的传播2.4光波在磁光介质中的传播2.5光波在光纤波导中的传播2.6光波在非线性介质中的传播2.7光波在水中的传播2.1光波在大气中的传播光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减;空气折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性。2.1光波在大气中的传播大气分层根据密度、温度、气压、水汽含量、导电性能等物理特性，大气层分为：地球表面到1200km;气体和水蒸气构成的混合物，含有大量液态和固态杂质微粒；气体成分不均匀——分层。对流层（troposphere）：地表到10km，剧烈的垂直对流运动，影响激光传输最严重；平流层（stratosphere）：10km到60km,垂直运动很弱；电离层（ionosphere）：50—800km;外球层（outeratmosphere）：900—1200km。2.1光波在大气中的传播低层大气分类按组分分类按白日水平能见距离分类标准大气：不含杂质微粒的大气；实际大气：含杂质微粒的大气2.1.1大气衰减激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）;部分能量被散射而偏离原来的传播方向;吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。设强度为I的单色光辐射，通过厚度为dl的大气薄层。光强衰减量dI正比与I及dl，即dI/I=(I

-I)/I=

dl

T

exp(

L)

(km-1)：大气衰减系数km和

m：分子的吸收和散射系数；ka和

a：气溶胶的吸收和散射系数

km

m

ka

a

(dB/km)=4.343

(1/km)

2.1.1大气衰减1、大气分子的吸收大气分子→极化→受迫振动→吸收；电子运动\原子振动\转动。

分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。

相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。

因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。

大气中N2、O2

：可见光和红外区几乎不表现吸收，主要对远红外和微波吸收。

大气中He，Ar，Xe，O3，Ne等：可见光和近红外有吸收谱线，大气中的含量甚微，不考虑吸收；在高空处，其余衰减因素都已很弱，考虑其吸收作用。

2.1.1大气衰减1、大气分子的吸收大气中H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子

吸收分子主要吸收谱线中心波长(mm)H2O0.720.820.930.941.131.381.461.872.663.156.2611.712.613.514.3CO21.41.62.054.35.29.410.4O24.79.6可见光和近红外区主要吸收谱线2.1.1大气衰减1、大气分子的吸收大气窗口：根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成8个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。大气透过律及其大气窗口2.1.1大气衰减2、大气分子散射大气中总存在着局部的密度与平均密度统计性的偏离——密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，一部分辐射光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的散射。2.1.1大气衰减2、大气分子散射瑞利散射：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射，散射光的强度与波长的四次方成反比，瑞利散射系数：波长越长，散射越弱波长越短，散射越强2.1.1大气衰减3、大气气溶胶的衰减

瑞利散射：光波长远大于散射粒子尺寸，强烈依赖波长；米氏散射：光的波长相当于或小于散射粒尺寸，依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性。2.1.1大气衰减3、大气气溶胶的衰减气溶胶微粒的尺寸分布极其复杂，受天气变化的影响很大天气类型N(cm-3)amax(

m)气溶胶类型霾M100cm-33海上或岸边的气溶胶霾L100cm-32大陆性气溶胶霾H100cm-30.6高空或平流层的气溶胶雨M100cm-33000小雨或中雨雨L1000m-32000大雨冰雹H10m-36000含有大量小颗粒的冰雹积云C.1100cm-315积云或层云、雾云C.2100cm-37有色环的云云C.3100cm-33.5贝母云云C.4100cm-35.5太阳周围的双层或三层环的云2.1.1大气衰减3、大气气溶胶的衰减（1）晴朗、霾、雾大气的衰减

两边取对数得可见(－q)是ln

a

~ln

直线的斜率，q值可通过实验确定。据气象对能见度V（km）的定义可得：对于可见光：

/0.55

1，故有

a

=3.91/V(km)。对于近红外光：

2.1.1大气衰减3、大气气溶胶的衰减雾与雨的差别不仅在于降水量的不同，更主要是雾粒子和雨滴的尺寸有很大差别；

（2）雨和雪的衰减雨滴间隙要大得多，故能见度较雾高，光波容易通过。加之雨滴的前向散射效应强，这会显著地减小对直射光束的衰减。结果雨的衰减系数比雾小两个数量级以上；激光在雪中的衰减与在雨中相似，衰减系数与降雪强度有较好的对应关系；不同波长的激光在雪中的衰减差别不大，但就同样的含水量而言，雪的衰减比雨的大，比雾的小。2.1.2大气湍流效应大气是一种均匀混合的单一气态流体，其运动形式分为层流运动和湍流运动。

层流运动：流体质点做有规则的稳定流动，在一个薄层的流速和流向均为定值，层与层之间在运动过程中不发生混合；湍流运动：无规则的漩涡流动，质点的运动轨迹很复杂，既有横向运动，也有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏

2.1.2大气湍流效应惯性力与此气体容积边界上所受的粘滞力之比超过某一临界值时，有规则的层流运动就会失去，其稳定性而过渡到不规则的湍流运动，这一比值就是表示流体运

动状态特征的雷诺数Re：

当Re小于临界值Recr（由实验测定）时，流体处于稳定的层流运动，而大于Recr时为湍流运动。由于气体的粘滞系数𝜂较小，所以气体的运动多半为湍流运动

2.1.2大气湍流效应激光的大气湍流效应，本质是激光在折射率起伏场中传输时的效应。

大气速度、温度、折射率的统计特性服从“2/3次方定律”i分别代表速度（v）、温度（T）和折射率（n）；r为考察点之间的距离；Ci为相应场的结构常数，单位是m-1/3。通常用折射率结构常数Ci的数值大小表征湍流强度弱湍流：Cn=8

10-9m-1/3;中等湍流：Cn=4

10-8m-1/3;

强湍流：Cn=5

10-7m-1/3

2.1.2大气湍流效应1、大气闪烁当光束直径dB>>l时，光束截面内包含有多个湍流旋涡，每个旋涡各自对照射其上的那部分光束独立地散射和衍射,光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽小。大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强I的对数强度方差

表示

可通过理论计算求得，则可由实际测量得到。

2.1.2大气湍流效应1、大气闪烁在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。

当湍流强度增强到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差不按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪烁的饱和效应。

2.1.2大气湍流效应2、光束的弯曲和漂移光束漂移：在接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位置）以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机性跳动；光束弯曲：若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移称为光束弯曲。光束弯曲和漂移现象亦称天文折射，受制于大气折射率的起伏，弯曲表现为光束统计位置的慢变化，漂移则是光束围绕其平均位置的快速跳动。

2.1.2大气湍流效应2、光束的弯曲和漂移——弯曲如忽略湿度影响，在光频段大气折射率n可近似表示为：P为大气压强；T为大气温度（K）。根据折射定律，在水平传输情况下不难证明，光束曲率为dN/dh

为大气折射率垂直梯度,并且规定光束向下弯曲时曲率c为正。2.1.2大气湍流效应2、光束的弯曲和漂移——弯曲当

dT/dh=-35C/km时，c=0，光束不发生弯曲；当

dT/dh>-35C/km时，c为正，光束向下弯曲；当

dT/dh

<-35C/km时，c为负，光束向上弯曲。实验发现，一般情况下白天光束向上弯曲；晚上光束向下弯曲。在海平面条件下，P=101325Pa，dP/dh=-12100Pa/km,T=20oC时：在水平距离L处光斑位置偏离原始位置的距离2.1.2大气湍流效应2、光束的弯曲和漂移——漂移光束弯曲与漂移二者不能混同。

2.1.2大气湍流效应3、空间相位起伏

本章内容2.1光波在大气中的传播2.2光波在电光晶体中的传播2.3光波在声光晶体中的传播2.4光波在磁光介质中的传播2.5光波在光纤波导中的传播2.6光波在非线性介质中的传播2.7光波在水中的传播2.2光波在电光晶体中的传播光波在介质中的传播受到介质折射率的制约电光晶体——施加电场——束缚电荷的重新分布/离子晶格的微小形变——介电系数变化——晶体折射率变化折射率成为外加电场E的函数第一项：线性电光效应或泡克耳（Pockels）效应；第二项：二次电光效应或克尔（Kerr）效应。说明：①对于大多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著②具有对称中心的晶体中，不存在一次电光效应2.2.1电致折射率变化分析方法：折射率椭球，直观方便x，y，z为介质的主轴方向。在晶体内沿着这些方向的电位移D和电场强度E是互相平行的；nx，ny，nz为折射率椭球的主折射率。折射率成为外加电场E的函数：2.2.1电致折射率变化由于外电场，折射率椭球各系数(1/n2)随之发生线性变化，其变化量可定义为质的主轴方向：式中

ij称为线性电光系数；i取值1，…，6；j取值1，2，3。当晶体施加电场后，其折射率椭球就发生“变形”，椭球方程变为：2.2.1电致折射率变化线性电光系数

ij可以用张量的矩阵形式表示：Ex，Ey

Ez是电场沿x，y，z方向的分量。具有

ij

元素的6×3矩阵称为电光张量，每个元素的值由具体的晶体决定，它是表征感应极化强弱的量。2.2.1电致折射率变化常用的电光晶体：KDP（KH2PO4）晶体LiNbO3晶体GaAs晶体2.2.1电致折射率变化

KDP晶体加外电场E后新的折射率椭球方程式：有nx=ny=no，nz=ne，no＞ne

外加电场的方向平行于z轴，即Ez=E，Ex=Ey=0，于是有2.2.1电致折射率变化寻求一个新的通常称为感应主轴坐标系(x‘,y’,z‘)，使椭球方程不含交叉项，将

x坐标和

y坐标绕z轴旋转α角得到：2.2.1电致折射率变化旋转坐标后的折射率椭球：

主折射率变为：2.2.1电致折射率变化当KDP晶体沿z（主）轴加电场时，由单轴→双轴晶体;折射率椭球的主轴绕z轴旋转45o；转角与外加电场的大小无关；其折射率变化与电场成正比。利用电光效应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。2.2.2电光相位延迟1、纵向应用纵向电光效应：电场方向与通光方向一致；横向电光效应：电场与通光方向相垂直。光波沿KDP类晶体z方向传播，则其双折射特性取决于椭球与垂直于z轴的平面相交所形成的椭圆。令z=0，椭圆方程为

:长、短半轴分别与x

和y

重合，x

和y

也就是两个分量的偏振方向，相应的折射率为nx

和ny

。2.2.2电光相位延迟1、纵向应用

2.2.2电光相位延迟1、纵向应用当这两个偏振态的光波穿过晶体后，将产生一个相位差：V=EzL是沿z轴加的电压。电光相位延迟：这个相位延迟完全是由电光效应造成的双折射引起的，所以称为电光相位延迟。相位差的变化仅取决于外加电压改变电压，相位成比例地变化

2.2.2电光相位延迟1、纵向应用

半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数，这个电压越小越好，特别是在宽频带高频率情况下，半波电压越小，需要的调制功率就越小。

2.2.2电光相位延迟1、纵向应用纵向电光偏振变化两个偏振分量间的相速度的差异，会使一个分量相对于另一个分量有一个相位差，从而改变出射光束的偏振态一般情况下，出射的合成振动是椭圆偏振光：存在与外加电压成正比变化的相位延迟晶体(可调偏振态变换器)，它对入射光偏振态的改变是由晶体的厚度决定。

2.2.2电光相位延迟1、纵向应用纵向电光偏振变化

通过晶体后的合成光仍然是线偏振光，且与入射光的偏振方向一致，“全波片”。2.2.2电光相位延迟1、纵向应用纵向电光偏振变化

这是一个正椭圆方程，说明通过晶体的的合成光为椭圆偏振光。当A1=A2时，其合成光就变成一个圆偏振光，相当于一个“1/4波片”的作用。2.2.2电光相位延迟1、纵向应用纵向电光偏振变化

2.2.2电光相位延迟1、纵向应用纵向电光偏振变化设一束线偏振光垂直于x

y

面入射，且沿x轴方向振动，它刚进入晶体（x=0）即可分解为相互垂直的x

，y

两个偏振分量，传播距离L后在晶体的出射面(L)处，两个分量间的相位差：2.2.2电光相位延迟1、纵向应用纵向电光偏振变化

2.2.2电光相位延迟2、横向应用如果沿z向加电场，光束传播方向垂直于z轴并与y（或x）轴成45

角，设光波垂直于x

z平面入射，E矢量与z轴成45

角，进入晶体（y

=0）后即分解为沿x

和z方向的两个垂直偏振分量。相应的折率分别为：2.2.2电光相位延迟2、横向应用传播距离L后x

分量为：z分量为：2.2.2电光相位延迟2、横向应用两偏振分量的相位延迟分别为:因此，当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差:第一项与外加电场无关，是由晶体本身自然双折射引起的；第二项即为电光效应相位延迟。2.2.2电光相位延迟2、横向应用比较KDP晶体的纵向运用和横向运用横向运用：缺点是存在自然双折射产生的固有相位延迟，与外加电场无关。优点是总的相位延迟不仅与所加电压成正比，而且晶体的长宽比(L/d)有关。纵向应用：相位差只和V=EzL有关。横向应用中，增大L或减小d就可大大降低半波电压。在z向加电场的横向运用中，略去自然双折射的影响，求得半波电压为：光辐射的传播第二章本章内容2.1光波在大气中的传播2.2光波在电光晶体中的传播2.3光波在声光晶体中的传播2.4光波在磁光介质中的传播2.5光波在光纤波导中的传播2.6光波在非线性介质中的传播2.7光波在水中的传播2.3光波在声光晶体中的传播声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。这如同一个光学“相位光栅”。光栅常数等于声波长

s；当光波通过此介质时，会产生光的衍射；超声场的变化而变化引起衍射光的强度、频率、方向等随着变化。2.3光波在声光晶体中的传播

弹光效应（Elasto-opticaleffect）晶体在应力作用下发生形变，分子间的相互作用力发生改变，导致介电常数

（介质折射率n）发生改变，从而影响光波在晶体中的传播特性。采用折射率椭球分析方法；与电光系数对应的为弹光系数P；如各项同性介质中，其折射率变化可以表示为：其中n为平均折射率，P为弹光系数，S为弹性应变幅值，与驱动功率有关2.3光波在声光晶体中的传播声速仅为光速的数十万分之一，对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的。超声行波设声波的角频率为

s，波矢为，则沿x

方向传播的声波方程为:介质折射率的变化正比于介质质点沿x方向的位移的变化率，即则声波为行波时的介质折射率：超声应变弹光系数2.3光波在声光晶体中的传播超声驻波形成的折射率变化为：超声驻波光波通过该介质（超声驻波）后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。超声行波：相位光栅的变化频率为fs。

超声驻波：在T时间内t=0，T/2，T各点不振动时，这时无相位光栅，即相位光栅出现的频率为2fs。

2.3光波在声光晶体中的传播光波进入声光晶体的方式对光波有何影响？

按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。超声波频率较低，光波垂直入射声场传播方向，声光互作用长度L较短。

——拉曼—纳斯衍射

超声波频率较高，光波倾斜入射声场传播方向，声光互作用长度L较长。

——布拉格衍射

2.3光波在声光晶体中的传播2.3.1拉曼一纳斯衍射产生拉曼-纳斯衍射的条件：

2.3.1拉曼一纳斯衍射

由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼-纳斯衍射的特点垂直入射情况2.3.1拉曼一纳斯衍射设宽度为q的光波垂直入射宽度为L声波柱，超声波使介质的应变为：则介质的折射率：介质折射率沿x方向的分布：

由于介质折射率发生了周期性变化，所以会对入射光波的相位进行调制。2.3.1拉曼一纳斯衍射设垂直入射的平面光波为：垂直入射情况则出射光波为：该出射波阵面被分裂为若干个子波源。则在声场外P点处总的衍射光强是所有子波源贡献的和，由下列积分决定:

2.3.1拉曼一纳斯衍射声场外P点处总的衍射光强：式中Jr(v)是r阶贝塞尔函数；l=sin

。。①衍射光场强度各项取极大值的条件为：

？？2.3.1拉曼一纳斯衍射②各级衍射的方位角和衍射光强分别为：由于

，故各级射光对称地分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。

由于

，吸收时衍射光各级极值光强之和应等于入射光强，即光功率是守恒的。由于光波与声波场的作用，各级衍射光波将产生多普勒频移，2.3.1拉曼一纳斯衍射考虑到声束的宽度，则当光波传播方向上声束的宽度L满足条件：才会产生多级衍射，否则从多级衍射过渡到单级衍射。2.3.2布喇格衍射产生布喇格衍射的条件：声波频率较高；光束与声波波面间以一定的角度斜入射；声光互作用长度L较长；介质具有“体光栅”的性质。2.3.2布喇格衍射布喇格衍射的特点：当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或-1级）衍射光，这是布喇格衍射的特点。若能合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级(或一1级)衍射极值上。所以，利用布喇格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。2.3.2布喇格衍射入射光1和2在B，C点反射的1

和2

同相位：由C，E点反射的2

，3

同相位：考虑到

：

B称为布喇格角。只有入射角

i等于布喇格角

B时，在声波面上衍射的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，上式称为布喇格方程。布喇格方程——衍射方向2.3.2布喇格衍射布喇格衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系衍射光强当入射光强为Ii时，布喇格声光衍射的0级和1级衍射光强的表达式可分别写成：：光波穿过长度为L

的超声场产生的相位延迟。衍射效率：2.3.2布喇格衍射衍射光强

则：

2.3.2布喇格衍射衍射光强

是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数（或声光优质指标）：声光介质的主要指标之一。①若Ps确定，要使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并要把换能器做成长而窄（即L大H小）的形式；②当Ps足够大，使达到

/2时，I1/Ii＝100%；③当改变Ps时，I1/Ii也随之改变，因而通过控制Ps（即控制加在电声换能器上的电功率）就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。本章内容2.1光波在大气中的传播2.2光波在电光晶体中的传播2.3光波在声光晶体中的传播2.4光波在磁光介质中的传播2.5光波在光纤波导中的传播2.6光波在非线性介质中的传播2.7光波在水中的传播2.4光波在磁光介质中的传播外加磁场作用所引起的材料的光学各向异性称为磁光效应，包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。这里仅限于介绍法拉第旋转效应对传播光束的影响。自然旋光：光振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关。磁致旋光：光振动面旋转方向决定于施加的磁场方向，光沿逆向传播，振动面旋向相反。2.4.1法拉第旋转效应

引进等效介电系数张量当磁场反向时，

的符号也要反号，即2.4.1法拉第旋转效应假设磁场沿z轴方向，取磁光介质中传播的平面波为式中lx、ly、lz为光波矢的方向余弦。代入菲涅耳程，由系数行列式为零，得到射率n所满所足的方程：描述磁光效应的一般方程2.4.1法拉第旋转效应假设光波在立方晶体或各同性介质中（）平行于磁化强度（z）方向（lx=ly=0，l=1）传播，得：将上式代回菲涅耳方程得：可见Ez=0，即介质中传播的光波为横波，相应的传播模式为右旋和左旋的两个圆偏振光波：2.4.1法拉第旋转效应

这就是法拉第旋转现象，

为磁致旋光率，与磁感应强度B

成正比当磁化强度较弱，B与H为线性关系，旋光率

与外加磁场强度在成正比：V称为韦尔德（Verdet）常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光波通过单位长度磁光介质后偏振方向旋转的角度。2.4.1法拉第旋转效应磁致旋光方向和磁场的方向有关；当光传播方向与磁场方向平行时，正的V值相应于左旋；当光传播方向与磁场方向相反时，表现为右旋。当外磁场由螺管电流产生，则旋光方向总是和螺线绕向一致；几乎全部抗磁体和多数顺磁体都属于这类材料；磁致旋光现象的这一性质表明它是一种非可逆过程；当光束往返通过介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增大。2.4.2磁光相互作用的耦合波分析磁光现象的本质是在外磁场扰动下光和材料的相互作用，利用非线性光学相互作用的耦合波理论对光束在磁光介质中的传播进行分析。设平面光波沿z向传播，可将光波电场写成：忽略介质损耗，得到一组耦合波方程：2.4.2磁光相互作用的耦合波分析磁光介质中波的偏振态是空间位置坐标的函数，z处的偏振态用复数表示为：偏振态是z的周期函数，周期为

/s。对于各向同性材料或立方晶体材料，n1=n2=n0

光辐射的传播第二章本章内容2.1光波在大气中的传播2.2光波在电光晶体中的传播2.3光波在声光晶体中的传播2.4光波在磁光介质中的传播2.5光波在光纤波导中的传播2.6光波在非线性介质中的传播2.7光波在水中的传播日常所见光纤光纤结构示意图2.5光波在光纤波导中的传播阶跃光纤：折射率分层均匀分布，芯层折射率为

，包层折射率为

，且梯度光纤：芯层折射率沿径向为渐变形式：2.5.1光纤波导的结构及弱导性光纤的结构参数：对于阶跃光纤，n1和n2分别为芯层和包层的折射率；对于梯度光纤，n1是指芯轴（r=0）处的折射率，n2为包层折射率。！！弱导条件，影响光纤的色散特性和耦合效率2.5.1光纤波导的结构及弱导性单模光纤和多模光纤2.5.1光纤波导的结构及弱导性2

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