第二章光纤通信的物理学知识.ppt

思考 天空为什么是蓝色的 夕阳和日出为什么是红色 物体为什么显示不同的颜色 彩虹是怎么形成的 透过两支铅笔的缝隙看日光灯看到的彩色条纹形成原因 2 2光的反射 折射 全反射和双折射 光可以在各种不同的物质中传播 光从一种媒质向另一种媒质传播时 将会发生反射 折射 全反射和双折射等现象 光的反射定律 入射光线 反射光线和垂直界面的法线三者在同一平面内 入射角等于反射角 入射光线和反射光线分居法线的两侧 光的折射定律 入射光线和折射光线分别在法线的两侧 入射角和折射角的正弦之比等于光在该两种媒质中传播速度之比 假如光是从真空向某一媒质进行传播 那么光在真空中的传播速度与光在该媒质的传播速度之比称为该媒质的绝对折射率 光的全反射 如果光是从光密媒质向光疏媒质传播 折射光线将远离法线 反之光疏媒质向光密媒质传播时 折射光线将向法线靠近 而远离法线的程度则与入射角的大小有关 试验证明 入射角越大 则折射角亦越大 折射光线越远离法线 当入射角大到某一值时 折射光线就不在光疏媒质内传播了 而是沿光密光疏两媒质的交界面传播 这时的入射角叫临界角 如果入射角大过临界角 那末入射光线一点也不进入光疏媒质 而是全部又反射回原光密媒质 这种现象叫全反射 全反射发生的条件 1 光密介质射向光疏介质2 入射角大于临界角临界角的计算公式 光疏介质折射率n1 光密介质折射率n2 临界角的大小 光纤通信中 全反射发生在纤芯和包层的界面上 2 3波动光学 以光的直线传播性质为基础 略去了光的波动性 属几何光学范畴 波动光学 它的主要特点是将光视为电磁波 用波动理论来研究光在传播过程中所遵循的客观规律 干涉 衍射 偏振是波动过程所特有的三种现象 2 3 1光的电磁理论 关于光的本性的一种学说 把光看作是以光频振荡的电磁波 借助于麦克斯韦的电磁理论来解释光的传播 干涉 衍射 偏振等现象以及光和物质相互作用的规律 人眼所能感受到的光称为可见光 可见光是光波中很小的一个成员 其实质是一种电磁波 如果把电磁波按照其波长或频率有顺序地排列起来 就得到电磁波谱 人眼对各种波长的可见光有不同的感受灵敏度 为人眼最敏感的黄 绿色 光波是横波 在光波中 产生胶片感光或眼睛生理作用的是电场强度矢量E 因此在光学中称之为光矢量 电量的振动为光振动 并且用E来表述光波 2 3 2光的干涉 何谓光的干涉 光的干涉产生的条件 普通光能否产生光的干涉 为什么 光的干涉规律是什么 2 3 2光的干涉 两个光源所发出的光波在空间叠加的结果 一般是强度均匀相加的 但是在一定条件下 两个光波在空间的叠加会形成明暗不均的现象 如果这两个光波是白色自然光 则叠加区域会产生五颜六色的现象 这些现象表明了光的一种重要波动特性 即干涉特性 光的干涉条件 相干光 频率相同 振动方向相同 相位差恒定 相干光的获得 分波阵面法和分振幅法相干光源 激光 光的干涉规律 折射率n与光波在该媒质中传播的几何路程r的乘积nr叫做光程 两束相干光在不同媒质中传播时 对干涉加强 亮纹 和减弱 暗纹 条件起决定作用是这两束光的光程差 两束光总的光程差 满足如下规律 入射光满足 k k 1 2 干涉加强 k 1 2 2k 1 2 干涉减弱 二 透镜不产生附加的光程差光经过透镜折射后 改变了原来的传播方向 但是在观察干涉现象时 使用透镜并不会引起附加的光程差 具有相同光程的原因可简单地理解为 几何路程长的光线在透镜中的行程短 几何路程短的光线在透镜中的行程长儿何路程短的光线在远贸中的行程长 真空中的折射率为1 其他光学材料的折射率均大于1 因此折算成光程是相等的 三 由半波损失引起的附加光程差折射率较大的媒质称为光密媒质 折射率较小的称为光疏媒质 当光线由光疏媒质射向光密媒质 并在两媒质的分界面反射时 反射回光疏媒质的反射光线 其相位突变 即入射光波和反射光波的相位相反 因为损失了 相位就相当于损失了半个波长 所以 这种现实称为反射光产生半波损失 与上述相反的过程无半波损失 例 空气中的水平肥皂厚度d 0 32um 折射率n2 1 33 如果白光照射时 肥皂膜呈现什么色彩 课后习题2 3 2 3 3光的衍射 在一定条件下 光能够绕过障碍物改变传播方向的现象称为衍射 惠更斯 菲涅尔原理可以这样表述 从同一波阵面上各点所发出的子波 经传播而在空间某点相遇时 也可以相互量加而产生干涉现象 半波带分析法 N asin 2当N为奇数时 为明点 当N为偶数时 为干涉相消 为暗点 单缝夫琅和费衍射条纹的明暗条件asin 2K 2K 1 2 3 暗纹asin 2K 1 2K 1 2 3 明纹 0中央明纹 单缝衍射 单缝衍射 菲涅耳衍射和夫琅和费衍射 单缝衍射条纹特征 单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明暗相间的直条纹 它们对称地分布于中央明纹两侧 明纹亮度不均匀 中央明纹最亮 其他各明纹的亮度将随着级数的增高而逐步减弱 衍射与波长 缝宽的关系 a一定 同一级条纹 反之 用白光作衍射光 中央明纹为白色 其他条纹为彩色 一定 同一级条纹 a 缝越细 条纹越明显 最大衍射角90度a 缝宽到一定程度 无衍射现象 传播光线为直线传播 光栅衍射 为了提高测量精度 必须提供一种又亮又窄 间隔又很大的明条纹 利用衍射光栅可以做到这一点 衍射光栅分为 反射光栅和透射光栅 它是近代物理实验中时常用到的一种重要光学元件 是一种分光装置主要用来形成光谱 衍射光栅也常用于光纤通信 1 光栅衍射 光栅 大量等宽等间距的平行狭缝 或反射面 构成的光学元件 d a是透光 或反光 部分的宽度 d a b 光栅常量 b是不透光 或不反光 部分的宽度 光栅常数 种类 1 1基本概念 光栅的衍射图样 设光栅的每个缝宽均为a 在夫琅禾费衍射下 每个缝的衍射图样位置是相重叠的 不考虑衍射时 多缝干涉的光强分布图 光栅衍射 I 衍射光相干叠加 衍射的影响 多缝干涉条纹各级主极大的强度不再相等 而 是受到了衍射的调制 主极大的位置没有变化 光栅衍射 光栅衍射 2 4光的偏振 光波是一种横波 即电场强度矢量 磁场强度矢量均垂直于波速矢量 光波的这一特性不能根据干涉与衍射实验推出 然而它却是光的波动性的另一重要表现 自然光为非偏振光 如果采用某种装置只允许一个方向的光振动通过 则可得到线偏振光 线偏振光也称为完全偏振光 如果采用的装置能减弱某个方向上的光振动 则可得到部分煽振光 部分偏振光也称为椭圆偏振光 1光的偏振状态 一 线偏振光 光矢量只沿一个固定的方向振动 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解 线偏振光的表示法 二 自然光 一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的 等幅的 不相干的线偏振光 自然光的表示法 三 部分偏振光 某一方向的振动比其它方向占优势 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的 不等幅的 不相干的线偏振光 部分偏振光的表示法 四 偏振度 IM 在某一方向上的偏振光强度最大值 In 与之垂直方向的偏振光强度最小值 平面偏振光P 1 自然光 非偏振光 P 0 部分偏振光0 P 1 2偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律 一 起偏 起偏的原理 利用某种光学的不对称性 偏振片 强烈吸收某一方向的光振动 而对与之垂直的另一方向的光振动几乎不吸收利用偏振片可起偏 亦可检偏 起偏 从自然光获得偏振光 起偏器 起偏的光学器件 自然光I0 线偏振光I 偏振化方向 透振方向 二 马吕斯定律 I0 I 偏振片的起偏 马吕斯定律 1809 消光 三 检偏 用偏振器件分析 检验光的偏振态 思考 I不变 是什么光 I变 有消光 是什么光 I变 无消光 是什么光 四 布儒斯特定律 一 反射和折射时光的偏振 i i0时 反射光只有S分量 i0 布儒斯特角或起偏角 并且有 i0 r0 90O 布儒斯特定律 1812年 根据折射定律 最后推得 布儒斯特定律1812年 布儒斯特在实验中发现 反射光的偏振化程度与入射角有关 当入射角自然光以起偏振角入射时 其反射光和折射光的传播方向相互垂直 且反射光成为线偏振光 计算 布儒斯特角 若n1 1 00 空气 n2 1 50 玻璃 则 二 玻璃片堆起偏和检偏 1 起偏 当i i0时 自然光从空气 玻璃 2 检偏 玻璃片堆 布儒斯特角的计算 4光在晶体中的传播 双折射 方解石 o e 一 双折射的概念 1 双折射 n1 n2 i ro re 各向异性媒质 自然光 o光 e光 2 寻常光和非寻常光 它们都是平面偏振光 o光 遵从折射定律 e光 一般不遵从折射定律 e光折射线也不一定在入射面内 I Ie I0 偏振光入射 自然光入射 3 晶体的光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射 该方向称为晶体的光轴 例如 方解石晶体 冰洲石 光轴是一特殊的方向 凡平行于此方向的直线均为光轴 单轴晶体 有一个光轴的晶体 双轴晶体 有两个光轴的晶体 2 4光的吸收色散和散射 光的吸收 色散 散射都是光波与物质的相互作用过程 1 光的吸收 1 吸收的线性规律 光的吸收是指光波通过介质后 光强减弱现象 吸收的线性规律为 I I0e z 2 光的吸收与波长的关系 物质对某些波长的光具有选择吸收性在无线通信中 就要考虑大气对电磁波的吸收问题 光纤对于某种波长的光波也具有强烈的选择吸收性 3 吸收光谱 光的吸收和光波的波长有关 吸收随光波波长的变化就构成吸收光谱 思考 为什么物体显示颜色 2 色散 1 色散的概念 色散是介质的折射率n随光波波长 变化的现象 2 正常色散 介质的折射率n是随波长 的增加而减小的色散叫正常色散 3 反常色散 反常色散是介质的折射率n随着波长 的增加而增加 与正常色散正好相反 3 散射 1 光的散射 当光通过不均匀介质时 会偏离原来的方向而向四周传播 这种现象称为光的散射 2 线性散射 散射光的频率等于入射光的频率 散射光中没有新频率的光产生 这类散射称为线性散射 3 非线性散射 散射光中除了入射光的频率或谱线之外 还有新频率的光或新谱线产生 这类散射称为非线性散射 拉曼散射和布里渊散都属于非线性散射 2 5激光原理 Laser LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationlight 光 amplification 放大 增强 stimulate 刺激 激发 emission 发射 放射 radiation 辐射 2 5激光原理 激光Laser Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation 光的受激辐射放大 1960年梅曼研制了第一台激光器 红宝石激光器无辐射跃迁和辐射跃迁光与物质相互作用的三个主要过程 自发辐射 受激吸收 受激辐射 激光 辐射跃迁 受激吸收 自发辐射 受激辐射 2 5 1激光的特性 Laseroutput beamproperties 单色性 指光强按频率的分布状况 激光的频谱宽度非常窄相干性 时间相干性和空间相干性都很好方向性 普通光向四面八方辐射 而激光基本沿某一直线传播 激光束的发散角很小高亮度 在单位面积 单位立体角内的输出功率特别大 2 5 2激光的形成 粒子数反转分布 要获得光放大 就必须有高能级粒子数N2大于低能级粒子数N1的分布 称为粒子数反转分布 实现粒子数反转是产生激光的必要条件 要形成粒子数反转 必须具备下述条件 要有激活介质或增益介质 其次 要有激励或称为泵浦 激光 粒子数反转 激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占主导地位而抑制自发辐射 激光器的组成 Essentialelementsofalaser 激光器基本组成包括 工作物质 谐振腔和泵浦系统三大部分 Alasermedium suitableopticalfeedbackelements andapumpingprocess 1 工作物质是激光器的核心 谐振腔的作用 模式选择 提供轴向光波模的反馈谐振腔是激光器的重要部件 不仅是形成激光振荡的必要条件 而且还对输出的模式 功率 光束发散角等均有很大影响谐振腔由全反射镜和部分反射镜 输出反射镜 组成 激光由部分反射镜输出 根据实际情况选用稳定腔 非稳腔或临界稳定腔 2 谐振腔 泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量 Apumpingprocessisrequiredtoexciteatomsinthelasermediumintotheirhigherquantum mechanicalenergylevels Practicallasermaterialscanbepumpedinmanyways 光激励 用光照射工作物质 工作物质吸收光能后产生粒子数反转 可采用高效率 高强度的发光灯 太阳能和激光放电激励 在放电过程中 气体分子 或原子 离子 与被电场加速的电子碰撞 吸收电子能量后跃迁到高能级 形成粒子数反转 3 泵浦系统 粒子搬迁的动力 热能激励 用高温加热方式使高能级上气体粒子数增加 然后突然降低气温度 因高 低能级的热驰豫时间不同 可使粒子数反转化学能激励 利用化学应过程中释放的能量来激励粒子 建立粒子数反转 为产生化学反应 一般还需采用一定的引发措施 如采用光引发 电引发 化学引发等方式核能激励 用核裂变反应放出的高能粒子 放射线或裂变碎片等来激励工作物质 也可实现粒子数反转 工作物质 可以分为气体 固体 半导体 液体 化学 自由电子激光器工作方式 连续工作 CWorcontinuouswavelasers 和脉冲工作 Pulsedlasers 激光技术 调Q激光器 Q switchedla