物理光学与应用光学第一章.ppt

2013年6月15日,光电工程学院,主讲：徐 宁,物理光学Physical optics,Email:Office:教4-1楼,2,2013/2014(1),光电工程学院,一、课程性质、目的和任务,1.性质：专业基础课 后续课：激光原理、光纤通信原理与系统、光 电传感技术等,2.目的：基本原理 分析问题方法 知识的应用,教学内容：电磁场基本知识 光的干涉、衍射 晶体光学 光与物质的作用 课时分配 48课时,3,2013/2014(1),光电工程学院,一、课程性质、目的和任务,成绩评定 平时：（作业、到课率、答疑、课堂提问等）30 期末考试：70,学习方法 掌握重点 培养兴趣 独立思考 主动质疑,参考书 物理光学，刘晨.合肥工业大学出版社.2007年 光学原理与应用，廖延彪.电子工业出版社.2006年 光学习题课教程，郑植仁.哈尔滨工业大学出版社.2006年,4,2013/2014(1),光电工程学院,绪 论,光学发展简史,光学是一门研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。,5,绪 论,6,2013/2014(1),光电工程学院,绪 论,光学发展5个时期：一、萌芽时期：光的直线传播、视觉和颜色认识，光的反射、折射和透镜反射镜的利用，对大气光学现象的探讨。二、几何光学时期：建立光的反射定律和折射定律，奠定几何 光学基础 三、波动光学时期：干涉、衍射解释，波动光学的形成，光是 一种电磁波四、量子光学时期：光和物质相互作用，量子光学五、现代光学时期：傅里叶光学；光学信息处理；非线性光学,7,光电工程学院,A、墨翟：在他和其弟子所著的 墨经中，对光现象有八条定性记载,对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究，制造了简单的光学仪器（如平面镜、凸面镜、凹面镜)。,正确反映了光的直线传播规律错误：人眼能发出光线,B、欧几里德：在其著作 光学一书中提出触须学说：,代表人物和成就：,、萌芽时期,墨翟（公元前468376年）,欧几里德（古希腊，公元前330275年）,8,、几何光学时期,几何光学时期是光学发展的转折点，系统研究了光现象和光学仪器，建立了直线传播定律、反射定律、折射定律；提出了费马原理、光程、光强、颜色等概念，并观察了棱镜光谱等较复杂的光现象，建立、巩固和发展了牛顿微粒学说。同时，波动理论开始盟芽。,代表人物和成就：,A、费马（法，16011665）：提出了几何光学的基本原理费马原理，由它可导出直线传播定 律、反射定律、折射定律和面镜、透镜成象规律。,B、牛顿（英，16431727）：建立了光是微粒流的微粒学说，进行了白光通过棱镜的实 验，提出了光谱、光强、颜色等概念，观察并研究了牛顿环,C、李普塞：1608，发明并制造了世界上第一台望远镜。,D、冯特纳：发明并制造了世界上第一台显微镜。,粒子：Paticle,波：wave,9,、波动光学时期,建立了光的波动理论，园满解释了光的干涉、衍射和偏振现象；通过迈克尔逊干涉仪否定了“以太”的存在；提出并证实了光的本质就是电磁波,C、菲涅耳（法,17881827）：利用杨氏干涉原理补充惠更斯原理提出了惠更斯-菲涅耳原理，园满解释了光的直线传播定律和衍射现象。建立了菲涅耳公式。在牛顿物理学中打开了第一个缺口，为此，他被人们称为“物理光学的缔造者”。,D、马吕斯（法，17751812）：发现了光的偏振现象，建立了马吕斯定律，研究了偏振光的干涉。,代表人物和成就：,B、杨氏（英，17731829）：最先利用干涉原理解释白光下的薄膜颜色，设计并完 成著名的杨氏双缝干涉实验，并第一次成功地测定了光的波长。提出了 光是横波的假设。主要贡献：杨氏双缝实验，杨氏模量，视觉和颜色，医学，语言学，埃及象形字,A、惠更斯（荷兰，16291695）：光的波动理论的创始人，提出了“光是以太中传播的波 动”理论和 次波假设（惠更斯原理）。并园满解释了反射、折射定律和双折射现象。,实物粒子与光一样具有波（Wave）、粒（Particle）二象性,10,黑体辐射问题：普朗克(德,18581947),解释光电效应：爱因斯坦(美,18791955),德布罗意（法，18921989）提出物质波假说，戴维孙与革末的电子衍射实验证实电子具有波动性,X射线散射实验：康普顿(美,18921962),发现经典电磁理论在研究光与物质的相互作用时的缺点，建立了光的量子理论，园满解释了黑体辐射、光电效应和康普顿效应现象；提出了光的波粒二象性。,、量子光学时期,11,2013/2014(1),光电工程学院,、现代光学时期,自1960年梅曼（美，19272007）制成第一台红宝石激光器，光学进入了新的发展阶段，激光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光脑的设想、红外波段的应用，非线性光学等，派生了许多崭新的分支学科。,12,2013/2014(1),光电工程学院,绪 论,1907年:迈克尔逊，美国，测量光速,1902年：塞曼,荷兰,发现磁力对光的塞曼效应,1919年：斯塔克，德国，发现正离子射线的多普勒的效应和光 线在电场中的分裂,1921年：爱因斯坦，美籍德裔，阐明光电效应原理,1923年：密立根，美国，测量电子电荷，并研究光电效应,1924年：西格班，瑞典，研究X射线光谱学,1930年：拉曼，印度，研究光的散射，发现拉曼效应,13,2013/2014(1),光电工程学院,绪 论,1953年：塞尔尼克,荷兰,发明相位差显微镜,1955年：兰姆,美国,研究氢原子光谱的精细结构,1958年：塔姆、弗兰克、切伦科夫，苏联,发现并解释切伦科 夫效应,1964年：汤斯，美国，研究根据微波激射器和激光器的原理构 成振荡器和放大器 巴索夫，前苏联，用于产生激光光束的振荡器和放大 研究工作。普洛霍罗夫，前苏联，在量子电子学中的研究工作导 致微波激射器和激光器的制作。,14,2013/2014(1),光电工程学院,绪 论,1971D.,加波,英国,全息摄影术的发明及发展,1971年：加波，英国，全息摄影术的发明及发展,1981年：布洛姆伯根、肖洛，美国激光光谱学与非线性光学 的研究,1997年：朱棣文，美国；塔诺季，法国；菲利浦斯，美国；激 光冷却和陷俘原子,2005年：罗伊格劳伯，美国，对光学相干的量子理论的贡献,约翰霍尔，美国，特奥多尔亨施德国对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献,1966年：卡斯特莱，法国发现并发展光学方法以研究原子的能 级的贡献,2009年：高锟，光在纤维中的传输以用于光学通信 博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器（CCD）图像传感器,15,2013/2014(1),光电工程学院,绪 论,光学研究三个方面：,固体发光、电光源、激光、气体放电、化学光源电致发光、半导体光源,经典光学：几何光学，物理光学、分子光学、近代光学（激光问世后）：,1.大空间范围干涉：相干光学、统计光学、薄膜光学衍射：傅立叶光学、衍射光学、二元光学偏振：晶体光学、偏振光学其它：矩阵光学、激光束光学、海洋光学、大气光学、生理光学等,小空间范围导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、近场,大光能量非线性光学、强光光学、自适应光学,4.非均匀介质非均匀介质光学、散射光学、组织光学,17,2013/2014(1),光电工程学院,绪 论,照相底片（光化学作用）、眼睛（光生理效应）、光电器件（光电效应）、热释电器件（电热效应）,18,2013/2014(1),光电工程学院,绪 论,传输介质折射率 n（左右光学传播规律的基本参量）,决定光线传播的方向,n常量 各向同性介质 直线传播 各项异性 双折射,引起折射率变化因素：,波长,外场（磁、电、声、热等）,时间（非稳态）,n变量 曲线传播,光波的波长（）,光与物质作用，其效应与波长有关；传输特性与波长有关,19,2013/2014(1),光电工程学院,绪 论,光波能量,光的偏振,衍射效率,干涉效率,光与物质作用,光的应用,1、光学观测仪器,2、光学检测、计量仪器和光学检测方法,3、光学加工、光学医疗系统,4、信息传输,20,2013/2014(1),第一章,第1章 光在各向同性介质中的传输特性,本章重点和难点：,折射率的概念,2.平面波、球面波、柱面波、高斯光束特性及数学表示,3.相速度、群速度概念,4.光波场的空间频率,5.光的偏振态及表示,6.菲涅耳公式（反射和透射率、反射和透射 及 特性）,相位,偏振,21,2013/2014(1),第一章,1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程,1.电磁波谱,按频率(或波长)的次序排列成谱。,光学区域包括红外线、可见光和紫外线，光谱区域波长范围约从1mm到10 nm或（1012-1016Hz）,1mm到10 nm,1012-1016Hz,22,2013/2014(1),第一章,23,2013/2014(1),第一章,24,2013/2014(1),第一章,2.麦克斯韦电磁方程,由麦克斯韦电磁方程，结合具体的边界条件及初始条件，可定量研究光的各种传输特性。,D:电位移矢量：自由电荷体密度E：电场强度B：磁感应强度H：磁场强度 J:传导电流密度,电场的高斯定律：电场可以是有源场；电力线必须从正电荷出发终止于负电荷。,磁通连续定律：磁场是无源场；通过闭合面的磁通量等于零，磁力线是闭合的。,法拉第电磁感应定律：变化磁场产生感应电场（涡旋场），其电力线是闭合的。,安培全电流定律：传导电流和位移电流都对磁场的产生有贡献。,25,2013/2014(1),第一章,3.物质方程,描述介质特性对电磁场影响的方程 物质方程,介电常数=0r，0 真空中介电常数，r相对介电常数，描述介质的电学性质。,介质磁导率，0真空中磁导率，r相对磁导率,描述介质的磁学性质。,介质的光学特性是均匀各向同性：、是与空间位置和方向无关的常数,介质的光学特性是各向异性：、是张量。,26,2013/2014(1),第一章,物质方程给出了媒质的电学和磁学性质，它们是光与物质相互作用时媒质中大量分子平均作用的结果。,27,2013/2014(1),第一章,4波动方程,麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，在空间传播的电磁波应满足描述这种波传播规律的波动方程,假设：1）介质均匀 2）无源场（=0，J=0）,28,2013/2014(1),第一章,我们得：,同理,其中，电磁场在介质中的传播速度,真空中的传播速度：,引入光的折射率：,29,2013/2014(1),第一章,30,2013/2014(1),第一章,5.光电磁场的能流密度,电磁场的能量定理,假设：介质是绝缘体，=0，j=0。,31,2013/2014(1),第一章,定义 玻印廷矢量 S：S=EH,E、H、S三者矢量方向满足右手螺旋定则,电磁场总能量密度 w=we+wm,电磁场能量定律的微分形式：,上式体积分：,由高斯定理：,：包围体积v的整个表面d：是上的面积元n:d的单位法向矢量,32,2013/2014(1),第一章,电磁场能量定律的积分形式,物理意义：体积V中单位时间内总电磁能量的减少等于从V的整个表面流出的电磁能量。,光强度：,注：在某些场合，只考虑某一种介质的光强，只关心光强的相 对值，因而省略比例系数，光强写成,若考虑的是不同介质中的光强，比例系数不能省略,33,2013/2014(1),第一章,1.1.2 几种特殊形式的光波,电磁场满足的波动方程：,边界条件的不同，方程的解,平面光波,1.平面光波,光与介质的相互作用来看，磁场的作用远比电场弱。通常把光波中的电矢量E称为光矢量，电场E的振动称为光振动。,球面光波,柱面光波,高斯光束,34,2013/2014(1),第一章,1）波动方程的平面光波解,在直角坐标系：由波动方程求解得：,当(z-vt)=c 的点处于相同的振动状态。如图,t=0,t1,t2,f1是沿z轴的正方向传播，f2是沿z轴的负方向传播。,35,2013/2014(1),第一章,波振面：将某一时刻振动相位相同的点连结起来，组成的曲面。,平面光波：波振面垂直与传播方向的平面。,36,2）单色平面波,三角函数形式：,固定某一时刻 t=t0，波在空间的分布：,固定空间某点 z=z0,随时间周期振动：,表示波的时间周期性,空间周期：空间频率：1/空间角频率：k=2/,表示波的空间周期性,时间周期：T时间频率:=1/T角频率:=2/T,37,2013/2014(1),第一章,复数表示：,光强：,复振幅：,场振动的振幅和相位随空间的变化,空间,平面简谐波沿任一波矢k方向传播，则,38,2013/2014(1),第一章,相应的共轭光波复振幅为（复振幅之间的复数共轭关系）：,图1-3 平面波及其相位共轭波,39,2013/2014(1),第一章,2)球面波,等相面以点光源为中心，随着距离的增大逐渐扩展的同心球面,波阵面,图1-4 球面光波示意图,满足波动方程，在球坐标系中为,40,2013/2014(1),第一章,其解为,简谐球面波数学表示,3）柱面波,一个各向同性的无限长线光源，向外反射的波为柱面波，等相面以线光源为中心轴，随距离增大而逐渐展开的同轴圆柱面。,z,（三角函数）,(复数),（复振幅）,41,2013/2014(1),第一章,其解为,4）高斯光束,一种振幅和等相面都在变化的高斯球面光束（激光器产生的光束）,其解为,其中：,42,2013/2014(1),高斯光束的基本特性：,基模高斯光束在横截面内的光电场振幅分布按照高斯函数的规律从中心(即传播轴线)向外平滑地下降,光斑半径w(z),光斑半径随着坐标z按双曲线的规律扩展,高斯光束的束腰半径w0,R(z):与传输轴线相交与z点的高斯光束等相位面（球面）的曲率半径,激光束发散角,基模（TEM00）:,43,2013/2014(1),第一章,其中,f:高斯光束的共焦参数（瑞利长度）,基模高斯光束场的相位因子,kz:描述了高斯光束的几何相移,高斯光束在空间行进距离z处、相对于几何相移的附加相移,当z 时，R(z)z表明束腰无限远处的等相面为平面；,44,2013/2014(1),第一章,当z=f时，R(z)=2f，达极小值；,当0zf 时，R(z)2f，表明等相面的曲率中心在（-，-f)区间；,当z f 时,z R(z)z+f，表明等相面的曲率中心在（-f，0)区间。,基模高斯光束既非平面波，又非均匀球面波，可以看作是一种非均匀的球面波，其等相面是曲率中心不断变化的球面，振幅和强度在横截面内保持高斯分布。,45,2013/2014(1),第一章,1.1.3 光波场的时域频率谱,光波场在时间域内的变化表示为E(t),2、频率谱,由傅里叶变换，它可以展成如下形式：,一个时域光波场E(t)可以在频率域内通过它的频谱描述.,随时间变化的光波场振动E(t)，由许多单频成分简谐振荡叠加,各成分相应的振幅为:,46,2013/2014(1),第一章,一般 E()为复数，又可表示为,模：E(),辐角：（）,几种光波场E(t)的频谱分布：,（1）无限长时间的等幅振荡,在时域区表达式：,频谱：,功率谱为：,E0,0,47,（2）持续有限时间的等幅振荡,功率谱：,时域区：,T,频谱：,48,(3)衰减振荡,时域：,频谱：,功率谱：,衰减振荡可视为无限多个振幅不同，频率连续变化的简谐振荡的叠加,频谱宽度:最大强度一半所对应的两个频率1和2之差,49,2013/2014(1),第一章,(4)准单色光,例：表观频率为0振动，振幅为高斯函数的准单色光波：,b)对于衰减振荡，若 很小，频谱很窄,a)持续有限时间的等幅振荡，如果其振荡持续时间很长，以致 于1T0，E()的主值区间(0-1T)(0+1T)很窄,在以下条件可认为接近于单色光：,频谱分布：,50,2013/2014(1),第一章,功率谱：,高斯型准单色光的频谱仍是高斯型，中心频率为0,频谱宽度：最大强度1/e 处所对应的两个频率1和2之差,51,2013/2014(1),第一章,1.1.4 相速度和群速度,相速度：等相面的传播速度 v(r)，简称相速度。方向垂直于 等相面。,单色光波的速度,电场：,等相位面满足,上式两边对时间求导，得,其值为,当r0垂直于等相面,此时最小值,52,2013/2014(1),第一章,波矢为k 的单色平面波相速度,相速度不是光能量的传播速度,当 相速度大于真空中的光速度。（在反常色散区）,2.复色波的速度,例：两色波的光电场,若：，且 则,复色波的光电场是所包含各个单色光波电场的叠加，即,53,2013/2014(1),第一章,因此：,54,2013/2014(1),第一章,1）复色波的相速度,2）复色波的群速度,等振幅面的位置对时间的变化率，即为等振幅面的传播速度：,55,2013/2014(1),第一章,正色散负色散,复色波是由许多单色波组成，只有复色波的频谱宽度 很小时，才能得到稳定的波群。,波群在介质中传播时，由于介质的色散，不同的单色波的传播速度不同，随着传播的推移，其形状与初始不同。由于不存在不变的波群，其群速度概念无意义。介质的色散很小，群速度概念有意义,在群速度有意义时，它是光波能量的传播速度,56,2013/2014(1),第一章,1.1.5 光波场的空间频率与空间谱（p176）,1.空间频率,单色平面波光波场的表示：,空间频率：表示光波场沿波矢方向每增加单位长度，光波场增加的周期数，即,注：,例：光沿z轴正方向传播。,1）在波的传播方向上，空间频率是:,2）在方向上观察，空间频率是:,57,2013/2014(1),第一章,x,光沿k矢量（在XOY平面）方向传播的平面波：,x,k,y,o,y,波平面,1）k方向的空间频率,2）x方向的空间频率,3）y方向的空间频率,同时,58,2013/2014(1),第一章,光沿k矢量沿任意空间方向传播的平面波：,结论：一个平面光波的空间传播特性可以用空间频率参量描述。研究的光波沿着传播方向的空间周期分布时，每一个空间频率对应与一定波长的单色波。,波数k与频率的关系：,59,2013/2014(1),第一章,例：振幅为A，波长为 的单色平面波的方向余弦为,试求它在xy平面上的,复振幅及空间频率。,xy平面上的复振幅：,60,2013/2014(1),第一章,2.空间频率谱,光波场在xy平面上的复振幅分布：,传播方向的方向余弦为：,随fx、fy变化分布，称为 的空间频率。,61,2013/2014(1),第一章,1.1.6 光波的横波性、偏振态及其表示,1.平面光波的横波特性,设平面波的电场和磁场为,代入麦克斯韦方程,得：,各向同性介质，D/E，有,非磁铁性介质，B=H，有,平面光波的电场矢量和磁场垂直于波矢方向，平面波是横电磁波。,62,2013/2014(1),第一章,由前几式，可得,因此，k、D(E)、B(H)三矢量构成右手螺旋直角坐标系统。,又,所以,各项同性介质,在各向同性介质中，平面光波的波矢方向(k)与能流方向(S)相同,又,E和H的数值之比为正实数，E和H同相位。,63,2013/2014(1),第一章,2.平面光波的偏振特性,（1）光波的偏振特性：,（b）在垂直传播方向的平面内，光振动方向相对光的传 播方向不对称性,光矢量振动方向与光波传播方向垂直,（2）光波的偏振态,椭圆偏振,电场矢量为,线偏振,圆偏振,t=T,t=T,t=T,64,将其表示为沿x、y方向振动的两个独立分量的线性组合，即,两式中消去变量t,经运算得：,（1）线偏振光,=m(m=0,1,2,)时，椭圆退化为一条直线，称线偏振光。有,m为零或偶数时，光振动方向在 1、3象限内,m为奇数时，光振动方向在 2、4象限内,65,2013/2014(1),第一章,线偏振光的复数表示：,t1,66,2013/2014(1),第一章,（2）圆偏振光,当E x、Ey 的振幅相等（E 0 x=E0y=E 0），相位差=m/2(m=1,3,5,)时，椭圆退化为圆，称圆偏振光。有,圆偏振光的复数表示：,Ex超前Ey/2,（2）圆偏振光,68,2013/2014(1),第一章,光矢量在垂直传播方向的平面内大小和方向都在改变，它的末端轨迹为椭圆。椭圆的长、短半轴和取向与E x、Ey 的振幅和相位差有关。,2 m=(2m+1)右旋椭圆偏振光(2 m-1)=2m 左旋椭圆偏振光,椭圆偏振光的复数表示：,（3）椭圆偏振光,70,2013/2014(1),第一章,