物理光学课件川大chaptor5.doc

物理光学光电信息学院叶玉堂物理光学光电信息学院前言光在介质中的传播过程，就是光与介质相互作用的过程。光的吸收、散射和色散是光在介质中传播时所发生的普遍现象，并且它们是相互联系的。第第55章章光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射物理光学光电信息学院第第55章章光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射(Absorption(Absorption，dispersion and scattering of light)dispersion and scattering of light)5.1 光与物质相互作用的经典理论(Classical theory)(Classical theory)5.2 光的吸收(The absorption of light)(The absorption of light)5.3 光的色散(The (The dispersiondispersionof light)of light)5.4 光的散射(The (The scatteringscatteringof light)of light)物理光学光电信息学院5.1.1 经典理论的基本方程均匀介质中电偶极子的电偶极矩为：/ , PPerre=(8-1)偶极矩Pr()电子离开平衡位置的距离位移5.1 光与物质相互作用的经典理论(Classical theory)(Classical theory) ()()()()Prn思路:物理光学光电信息学院根据牛顿定律，作强迫振动的电子的运动方程为22ddddrrmeEfrgtt=其中f 是弹性系数，g 是阻尼系数，E 是入射光场，该方程是描述光与物质相互作用经典理论的基本方程。(8-3)运动方程运动方程5.1.1 经典理论的基本方程物理光学光电信息学院渠2/ , / ,()exp() oogmfmeerrrEEzitmm=+=令22ddddrrmeEfrgtt=得渠()exp() EEzit=(8-5)基本方程基本方程5.1.1 经典理论的基本方程物理光学光电信息学院5.1.2 介质的复折射率峠2(/)()exp() orrremEzit+=峠峠2022exp()()exp()/()1 r()ooiiteEzitmeEzmi+=20(-)r0 rexp() rit=设试探解得物理光学光电信息学院0rexp() rit=慠022()1 r()oeEzmi=慠221 r()exp()()oeEzitmi=慠222 P1()exp()(=Np=Ner)oeEzitmi=r(8-8)(8-7)N 单位体积内的偶极矩数量5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院2221P()exp()() oeEzitmi=r ( 1)orPE=uvuv即oroEEEPD=+uvuvuvuvuv2220r1 ) 1(oemi=%2222011)1(oremin=+, 即(8-13)5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院%22220111()oenmi=+=+%2220112()oNenmi=+稀薄气体5.1.2 介质的复折射率在弱极化情况下（稀薄气体.)，有1|物理光学光电信息学院%2220112()oNenmi=+写成复折射率形式，% nni=，则有()222222002Nem=+(8-20)()2220222220012Nenm=+(8-19)复折射率5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院*2exp4exp()(2)ooIEEEkIzz= 表征光在介质中传播时强度衰减的速度,消光系数。%e ()expexp()xpoooEzEiknzEikkzEinknizz=写成沿Z轴传播的光波，其复振幅为(8-18)物理意义5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院曲线-曲线为光吸收曲线，在0 附近，有强烈（共振）吸收；n -曲线为色散曲线，0 附近为反常色散,远离0为正常色散色散与吸收之间有密切联系。()2220222220012Nenm=+()222222002Nem=+5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院全波段曲线%22220112()jjjjojNenmi=+全波段的色散曲线(8-21)5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院5.2.1 光吸收定律定义:光通过介质后，光能转变为其它形式的能量而使光强度减弱的现象，称为光的吸收。1.Lambert law光强的减弱dI正比于I 和dx的乘积, 即ddaIIx=(8-22)强度公式与吸收系数5.2 光的吸收(The absorption of light)(The absorption of light)物理光学光电信息学院积分并代入边界件，得()Ln()(0)LaoILILnLI=-吸收系数物理意义: 光通过宽度为的介质后，光强减弱到原光强的e 分之一。1/a=la()0expaIIl=(8-22)5.2.1 光吸收定律物理光学光电信息学院吸收系数-消光系数的关系因此，Lambert law 可表示为04expIIl=(8-26)(8-25) exp(2) oIIkL=)exp(0LIIa=42=ka5.2.1 光吸收定律物理光学光电信息学院2. 比尔（Beer）定律上式称为比尔定律。溶液的吸收系数正比于吸收物质的浓度c ，即正比于单位体积中的吸收分子数.a注意：朗伯定律对线性介质适用；比尔定律适用于低浓度溶液。aAc=(8-27)()0expIIAcl=(8-28)5.2.1 光吸收定律物理光学光电信息学院5.2.2 一般吸收与选择吸收吸收理论应用:激光稳频, DPSSL , 空间光学和红外空间应用中应用波段的选择.选择吸收：介质对光的吸收强烈,且随波长剧烈变化。如稀薄气体吸收区0的吸收一般吸收：介质对光的吸收很弱,且随波长变化不大。如稠密介质吸收区远离0的吸收aa物理光学光电信息学院曲线5.2.2 一般吸收和选择吸收a一般吸收：小，随变化缓慢，远离a0选择吸收：大，随变化剧烈，0物理光学光电信息学院Infrared Window1 st3 5 m2 nd8 14m5.2.2 一般吸收和选择吸收物理光学光电信息学院Two/Multi-Photons absorption目前，已发现一个电子可以同时吸收多达11个光子。5.2.3 双/多光子吸收(T/MPA)物理光学光电信息学院1. MechanismTwo-Photon absorption1.24/()()CgmEeV5.2.3 双/多光子吸收=Low level intensity, singlephotonabsorptionIf ,ghEaLow ,Hightransmittance aHigh level input, 高光子密度电子在弛豫时间内吸收后续光子-T/M-PA, NLabsorption, High物理光学光电信息学院2. Cutoff wavelength对N 光子吸收C = N (1.24/Eg )Silicon sees femtosecondSilicon sees femtosecondmidmid-infrared infrared lightlight.with a band gap of 1.12 eV, nonlinear multi-photon absorption by Si of 11 photonsproduces an electrical response that permits the measurement of radiation at wavelength 11 m.5.2.3 双/多光子吸收物理光学光电信息学院Optical LimiterDetector &Eye Protection3.Applications5.2.3双/多光子吸收物理光学光电信息学院5.2.3 双/多光子吸收物理光学光电信息学院5.2.3 双/多光子吸收物理光学光电信息学院In the presence of a In the presence of a strong electric fieldstrong electric field, , the absorption the absorption edgeedgeof a semiconductor of a semiconductor is is shifted to longershifted to longerwavelength.wavelength.1. Phenomena5.2.4 电吸收Electro-absorptionFig.15 Shift of absorption edge of Fig.15 Shift of absorption edge of GaAsGaAsdue to due to electro-absorptionZero fieldcmV/103.15物理光学光电信息学院2. ThreeEffectFranz-KeldyshEffectWannier StarkEffectQuantum ConfinedStarkEffect They are same as EA, but just fordifferent materials !5.2.4电吸收Zero fieldcmV/103.1512333()()2gmqEE=h1.24cgE=3.Mechanism For F-K effect,物理光学光电信息学院4. ApplicationsEA-M / SElectro-Absorption Modulators/Switch-O-E Compatibility of MOEIC 5.2.4 电吸收Fig.15 Shift of absorption edge of Fig.15 Shift of absorption edge of GaAsGaAsdue to due to electro-absorptionZero fieldcmV/103.15Optical Overload Protectionof Detectorswithout any physically inserting devicewithout any additional loss 物理光学光电信息学院5.2.4 电吸收物理光学光电信息学院5.2.4 电吸收物理光学光电信息学院思考题思考题?应用EA 导致吸收边偏移的特性给出一种EA-M/S 的实现方案?Fig.15 Shift of absorption edge of Fig.15 Shift of absorption edge of GaAsGaAsdue to due to electro-absorptionZero fieldcmV/103.15物理光学光电信息学院定义：介质的折射率随光波长变化的现象。观察色散的牛顿正交棱镜法5.3 光的色散(The (The dispersiondispersionof light)of light)物理光学光电信息学院色散率定义:介质折射率n 在波长附近随波长的变化率dn/d，在数值上等于介质对于附近单位波长差的两单色光的折射率之差. 2121ndndnn=色散率色散率5.3 光的色散物理光学光电信息学院(A) “正常”含义n 随波长增大而单调下降,即色散率,且变化缓慢or: n is an increasing functionof the frequency.1.正常色散normal dispersion5.3.1 正常色散与反常色散注意:科西公式只是对正常色散区才适用。00，且在附近区域变化剧烈。(A) 反常色散不反常；(B) “反常”色散区常为“选择”吸收区。()222222002Nem=+解释:/ 1o= 都剧烈变在 附近化和 n2.反常色散anomalous dispersion5.3.1 正常色散与反常色散物理光学光电信息学院/ 1o= 都剧烈变在 附近化和 n222222()()ooNemi=+22222222 12()oooNenm=+“反常”色散与“选择”吸收5.3.1 正常色散与反常色散物理光学光电信息学院5.3.2 光孤子(optical so1iton)1834年，罗素（Russel）发现孤波(solitorywave)孤子(so1iton):色散+非线性效应色散介质中,波包前沿快中心慢,脉冲展宽;应用：光孤子通讯等非线性波动方程行波解.波包心振幅大速度快,波包前沿振幅小速度慢,波包压缩.调整二者稳定平衡,可使尖锐波包挺进而不变形-optical so1iton物理光学光电信息学院定义：光通过不均匀介质时，偏离原来的方向，向四周传播的现象,称为散射。光能到光能, 光能不转变为其它形式的能5.4 光的散射The The scatteringscatteringof lightof lightE光场-偶极子振动-辐射电磁波-散射光ELFW06.12-118物理光学光电信息学院LFW06.09P5物理光学光电信息学院思考题思考题?图中所示人们见到的光是激光吗? 如果是,为什么?如果不是,为什么与激光一样具很好的单色性?物理光学光电信息学院Classification of scattering散射线性 /5 / 10 0瑞利散射Size或米氏散射非线性拉曼散射受激拉曼散射布里渊散射自发拉曼散射5.4 光的散射物理光学光电信息学院5.4.1线性散射Linear Scattering1.瑞利散射（