物理光学与应用光学第一章ppt课件

LOGO LOGO 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 LOGO 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 3. 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 LOGO 3 2013/2014(1) 光电工程学院 一、课程性质、目的和任务 4. 成绩评定 平时：（ 作业、到课率、答疑、课堂提问等） 30 期末考试： 70 5. 学习方法 掌握重点 培养兴趣 独立思考 主动质疑 6. 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 LOGO 4 2013/2014(1) 光电工程学院 绪 论 光学发发展简简史 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。 LOGO 5 绪 论 181720192116 世纪轴 远古 萌芽几何光学 现代光学 过渡时期： 直线传播占主导，波 动理论逐惭形成 量子光学 波动光学 萌芽时期： 远古至十六世纪初 几何光学时期：十六世纪中叶至十八世纪初 波动光学时期：十九世纪初至十九世纪末 量子光学时期：十九世纪末至二十世纪初 现代光学时期：二十世纪六十年代至今 光光 学学 LOGO 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 LOGO 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：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） LOGO 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望远镜。 D、冯特纳：发明并制造了世界上第一台显微镜显微镜。 粒子：Paticle 波：wave LOGO 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。 LOGO 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 LOGO 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。 LOGO 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 LOGO 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。 LOGO 14 2013/2014(1) 光电工程学院 绪 论 1971 D.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 LOGO 15 2013/2014(1) 光电工程学院 绪 论 光学研究三个方面： 发 光的发射 （光源） 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 （黑体辐射、激光原理、 光导 体物理） LOGO 传 光的传输 （光与物质相 互作用） 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 2. 小空间范围 导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、 近场 3. 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 LOGO 17 2013/2014(1) 光电工程学院 绪 论 收 光的探测 （光探测器） 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） LOGO 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 LOGO 19 2013/2014(1) 光电工程学院 绪 论 光波能量 能量低 经典光学基本规律 能量高 非线性光学 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 LOGO 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： 1. 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 LOGO 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） 远红外(1mm20m) 红外线(1mm0.76m) 中红外(20 m 1.5m) 近红外(1.5 m 0.76m) 1mm到10 nm1012-1016Hz LOGO 22 2013/2014(1) 第一章 红色(760nm650nm) 橙色(650nm 590nm) 黄色(590nm 570nm) 可见光(760nm380nm) 绿色(570nm490nm) 青色(490nm460nm) 蓝色(460nm430nm) 紫色(430nm380nm) 近紫外(380nm300nmm) 紫外线(400nm10nm) 中紫外(300nm 200nm) 远红外(200nm 10nm) LOGO 23 2013/2014(1) 第一章 LOGO 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。 LOGO 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。 LOGO 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。 麦克斯韦波动方程组 物质方程 描述时变场情况下电磁场的普遍规律 LOGO 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） LOGO 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： LOGO 29 2013/2014(1) 第一章 LOGO 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。 LOGO 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 LOGO 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 LOGO 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 LOGO 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 f t z t=0 t1 t2 v t1 f1是沿z轴的正方向传播，f2是沿z轴的负方向传播。 LOGO 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。 x y z k x y z k LOGO 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： z 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 LOGO 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 复振幅 空间 平面简谐波沿任一波矢k方向传播，则 LOGO 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）： x z O k - k 图1-3 平面波及其相位共轭波 LOGO 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 r 光线 满足波动方程，在球坐标系中为 LOGO 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 v v r （三角函数） (复数) （复振幅） LOGO 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： LOGO 42 2013/2014(1) 高斯光束的基本特性： 1/e 1 0 r 0 z 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 R(z) R(z) 激光束发散角 基模（TEM00）: LOGO 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； LOGO 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。 LOGO 45 2013/2014(1) 第一章 1.1.3 光波场的时域频率谱 1、 复色波是指某光波由若干单色光波组合而成（它包 含有多种频率成分） 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: LOGO 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： E(t) E0 E() 2 E0 2 0 LOGO 频谱宽度：最靠近0的两个强度为零的点所对应的频率1和 2之差的一半为频谱宽度, =1/T 47 （2）持续有限时间的等幅振荡 功率谱 ： 时域区： t E(t) T 频谱： E() 2 T2 1 2 0 中心频率: 0 LOGO 48 (3) 衰减振荡 时域： 频谱： 功率谱： t E(t) E() 2 0 1 2 1/ 2 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 LOGO 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： LOGO 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 LOGO 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。 1. 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 LOGO 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 LOGO 53 2013/2014(1) 第一章 因此： z E1 1 E22 LOGO 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： LOGO 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 LOGO 56 2013/2014(1) 第一章 z x o 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：光波的空间频率是观察 的函数方向 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: k r LOGO 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 LOGO 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： LOGO 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： LOGO 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