光电技术总复习

1、总复习第一章 光辐射的基础知识 1.1电磁波谱与光辐射1.电磁波谱按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，波长范围10-10-1014mm波段。2. 光辐射光辐射分成：紫外辐射、可见光和红外辐射，其波长在10-2103mm（10nm1mm）范围内。可见光：是波长在390770nm范围的光辐射。人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。紫外辐射：波长范围是1390nm。红外辐射：波长在0.771000mm。1.2辐射度学与光度学对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射

2、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。表1常用辐度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量对应的光度量物理量名称符号定义或定义式单位物理量名称符号定义或定义式单位辐射能辐射通量辐射出射度辐射强度辐射亮度辐射照度QeFeMeIeLeEeFedQe/dtMe=dFedSIe=dFe/dWLe=dIe/(dScosq)Ee=dFe/dAJWW/m2W/srW/m2·srW/m2光量光通量光出射度发

3、光强度(光)亮度(光)照度QvFvMvIvLvEvQv=òFv dtFv=òIv dWMv=dFv/dS基本量Lv=dIv/(dScosq)Ev=dFv/dAlm·slmlm/m2cdcd/m2lx单色辐射度量 对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量X来说单色辐射度量与辐射度量之间均满足 (1.2-10)光视效能： Km=683lm/W (1.2-11)光视效率： (1.2-12)1.3热辐射基本定律1. 单色吸收比和单色反射比。 (1.3-1)若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，

4、则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。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。即 (1.3-2)式中为黑体的单色辐射出射度。3. 普朗克公式黑体处于温度T时，在波长l 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出 (1.3-3)式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，kB为波尔兹曼常数。4.瑞利-琼斯公式当很大时，可得到适合于长波长区的瑞利-琼斯公式 (1.3-5)在时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。5.维恩公式当很小时，可得到适合于短波长区的维恩公式 (1.3-6)在区域内，维恩公式与普朗

5、克公式的误差小于1%。6.维恩位移定律单色辐射出射度最大值对应的波长 (1.3-7)7.斯忒藩-玻尔兹曼定律 (1.3-9)其中为斯忒藩-玻尔兹曼常数。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。第二章 光辐射的传播2.1 光辐射的电磁理论1. 光辐射的波动方程 (2.1-1)2. 光辐射场的亥姆霍兹方程对于各向同性的无吸收介质， ，利用矢量恒等式，亥姆霍兹方程可改写为 3. 均匀介质中的平面波和球面波平面波解的一般形式为 (2.1-6)球面波解的一般形式为 (2.1-7)式中为波矢量，j0为初相。2.2 光波在大气中的传播1. 大气衰减大气衰减的朗伯定

6、律 (2.2-2)b为大气衰减系数（1/km）。 大气分子的吸收分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。“大气窗口” ：对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。 大气分子散射 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。瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比。瑞利散射系数的经验公式为 (2.2-5)式中，sm为瑞利散射系数为瑞利散射系数（cm-l）；N为单位体积中的分子数（cm-1）；A为分子的散射截面（cm2）；l为光波长（cm）。 2.3光波在电

7、光晶体中的传播 对于一些晶体材料，当上施加电场之后，将引起束缚电荷的重新分布，并可能导致离子晶格的微小形变，其结果将引起介电系数的变化，最终导致晶体折射率的变化，所以折射率成为外加电场E的函数，即 (2.3-1)式中第一项称为线性电光效应或泡克耳（Pockels）效应；第二项，称为二次电光效应或克尔（Kerr）效应。1电致折射率变化电光效应的分析可用几何图形折射率椭球体的方法。 (2.3-2) 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 (2.3-3)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 (2.3-4)式中gij称为线性电光系数；i取值1，

8、6；j取值1，2，3。（2.3-4）式可以用张量的矩阵形式表示 (2.3-5)对常用的KDP（KH2PO4）晶体有nx=ny=no，nz=ne，none，只有，而且。感应主轴坐标系中地椭球方程为 (2.3-8)主折射率变为 (2.3-9)2电光相位延迟纵向应用x¢zy¢V入射光 当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差 (2.3-11) 当光波的两个垂直分量Ex¢，Ey¢的光程差为半个波长（相应的相位差为p）时所需要加的电压，称为“半波电压”，通常以Vp或Vl/2。表示。由（2.3-14）式得到 (2.3-12)于是 (2.3-13) 横向应用L入射光Vd

9、Zy¢x¢图 z向电场作用下KDP晶体的横向运用折射率分别为和。当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差 (2.3-18)例如，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 (2.3-19)可见(L/d)越小，Vp 就越小，这是横向运用的优点。2.4 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ls。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。1. 相位栅超声行波的瞬时

10、相位栅如图1所示。由于声速仅为光速的数十万分之一，所以对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的。设声波的角频率为ws，波矢为，则沿x方向介质的折射率变化为nvsxn0Dnls图1 超声行波在介质中的传播 (2.4-1)介质折射率分布为 (2.4-2)S为超声波引起介质产生的应变；P为材料的弹光系数。2. 声光衍射(1)拉曼-纳斯衍射产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制。即通过光密部分

11、的光波波阵面将延迟，而通过光疏部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，如图3所示。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。+q/2-q/2ki-L/2cos-1l+L/2xd=xlksqy图4垂直入射情况lsllqL入射光xy声波阵面声波光波阵面图3拉曼-纳斯衍射图衍射光衍射光场各级衍射的方位角为 (2.4-6)各级衍射光的强度为 (2.4-7)由于，故各级衍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。(2)布喇格衍射产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度

12、L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体相位光栅”的性质。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，如图5所示。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-1级）衍射极值上。因此，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。ls入射光wi衍射光wi+ws2q非衍射光图5 布喇格声光衍射声波布喇格方程 (2.4-11) 布喇格衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系和衍射效率： (2.4-13)式中，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）

13、，它是选择声光介质的主要指标之一；Ps超声功率；H为换能器的宽度，L为换能器的长度。 可见： 若在超声功率Ps定的情况下，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； 当超声功率Ps足够大，使达到p/2时，I1/Ii100%； 当改变超声功率Ps时，I1/Ii也随之改变，因而通过控制超声功率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。2.5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。法拉第旋转效应zzHdc45°入射光起偏器调制信号检偏器YIG棒图1 磁光调制示意图 沿x方

14、向偏振的入射光经过长度为L的磁光介质后将偏转一个角度 (2.5-8) 这就是法拉第旋转现象（法拉第旋转效应），a 为磁致旋光率。当磁化强度较弱，B与H为线性关系， (2.5-10)式中V称为韦尔德（Verdet）常数。2.6光波在光纤波导中的传播1. 光纤波导的结构及弱导性光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导。光纤的典型结构如图1所示，它由纤芯、包层和护套三部分组成。工程上定义D为纤芯和包层间的相对折射率差 (2.6-1)当时，上式简化为 (2.6-2)这即为光纤波导的弱导条件。弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构。护套包层纤芯2a(a)阶跃 剖面n(r)an2n1r纤

15、 芯(b)渐变 剖面n(r)an2n1r纤 芯(c)多模光纤12.5mm<a<100mm0.8mm<l<1.6mm0.01<D<0.03单模光纤2mm<a<5mm0.8mm<l<1.6mm0.003<D<0.01(d)图1 典型光纤的结构、折射率分布和尺寸范围一般介质波导截面上的折射率分布可以用指数型分布表示为 (2.6-3)2. 光束在光纤波导中的传播特性 阶跃光纤中光波的传播均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全反射。光纤可视为圆柱波导，在圆柱波导中，光线的轨迹可以在通过光纤轴线的主截面内，如图2(a)所示

16、，也可以不在通过光纤轴线的主截面内，如图2(b)所示。为完整的确定一条光线，必须用两个参量，即光线在界面的入射角q 和光线与光纤轴线的夹角j。 子午光线当入射光线通过光纤轴线，且入射角q1大于界面临界角时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。一般情况下，n0=1（空气），子午光线对应的最大入射角称为光纤的数值孔径 (2.6-6)它代表光纤的集光本领。在弱到条件下 (2.6-7) 斜射光线当入射光线不通过光纤轴线时，传导光线将不在一个平面内，这种光线称为斜射光线。当满足全反射条件时，得到波导内

17、允许的最大轴线角为 (2.6-8)当（空气）时，最大入射角为 (2.6-9) 式中是传导子午光线的最大入射角。渐变折射率光纤 我们只讨论平方率梯度光纤中光波的传播特性。平方律折射率分布光纤的n(r)可表示为 (2.6-11) 平方律梯度光纤中的光线轨迹由光纤理论可以证明子午光线轨迹按正弦规律变化 (2.6-12)式中r0、W由光纤参量决定。可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质，又称自聚焦光纤。2.7光波在非线性介质中的传播 激光出现后，强光场足以展现物质对光场的非线性响应。这种与光强有关的光学效应通常称为非线性光学效应。将非线性光学介质中感应极化强度展开为外光场的幂级数形式，即 (2.7-l)1.

18、 非线性电极化率 (2.7-2) “物理光学”用经典线性谐振子模型导出了线性极化率的表达式 (2.7-3)非简谐运动方程为 (2.7-4) 当给定电场E(t)，解出r，由感应极化强度P=Ner及P和电场E的幂级数形式，就可求出P和电极化率。一般用微扰法对方程逐级近似求解。考虑频率为w1和w2的光场 (2.7-5)可解得 (2.7-6)由以上各个解看出，非线性响应的特点是频率为w1和w2的光场在非线性介质中感应的电极化强度，不仅具有频率w1和w2的分量，还具有频率为2w1，2w2，w1±w2的分量。这些极化强度分量作为次波辐射源，将辐射出2w1，2w2，w1±w2的电磁波，这

19、就是非线性光学中的倍频、和频以及差频等光学效应。2. 光波在非线性介质中的传播 设相互作用的光波为单色平面波，则其振幅不随时间而变化。把非线性激励项作为一种微扰处理。单色平面波的振幅相对变化很小，即可用慢变化近似。（为光波偏振分量的单位矢量）随传播距离的变化关系为 (2.7-7)这就是描述光波在非线性介质内彼此间产生参量互作用的基本关系式耦合波方程。假设非线性介质中三个波的频率分别为w1，w2，w3（w1+w2），其波矢量都沿z方向。可得到三波耦合方程 (2.7-8)式中非线性介质内三波互作用过程中，不同频率的光波在非线性介质中，可以发生能量的互相转移，这种能量的相互转移是通过非线性介质的有效

20、非线性电极化率ceff来耦合的。2.8 光波在水中的传播1. 传播光束的衰减特性 单色平行光束在水中传播的衰减规律也近似服从指数规律 (2.8-1)e是包括散射和吸收在内的衰减系数。衰减系数e不但与水质有关，而且与传播光束的波长有关。可见，紫外和红外波段的光波在水中的衰减很大，在水下无法使用。蓝绿光的衰减最小，故常称该波段为“水下窗口”。0.4900mm和0.6943mm波长光波的衰减长度分别为11m和2m。这说明蓝光比红光在水中的传输性能要好得多。第三章 光束的调制和扫描3.1光束调制原理要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题，这种将信息加载于激光的过程称为调制，完成

21、这一过程的装置称为调制器。其中激光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。光波的电场为： 调制信号： (3.1-1)1.振幅调制 (3.1-2)调幅波的表达式为 (3.1-3)调幅波的频谱为 (3.1-4)2.频率调制和相位调制对频率调制来说，就是中的角频率wc随调制信号变化 (3.1-5)调频波的表达式为 (3.1-6)调相波的表达式为 (3.1-8)由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式 (3.1-9)3. 强度调制强度调制的光强可表示为 (3.1-12)仍设调制信号是单频余弦波，则 (3.1-13)4. 脉冲调制脉冲调制是先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量(

22、幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为已调脉冲序列。然后再用这已调电脉冲序列对光载波进行强度调制，就可以得到相应变化的光脉冲序列。脉冲调制有脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、脉冲频率调制和脉冲位置调制等。3.2电光调制以KDP电光晶体为例讨论电光调制的基本原理和电光调制器的结构。1. 电光强度调制纵向电光调制器及其工作原理纵向电光强度调制起的结构如图4所示。入射光P1Iixyzx¢y¢P2Io调制光VL起偏器l/4波片检偏器图4 纵向电光强度调制输出光强为 3.2-2)调制器的透过率 (3.2-3)(3.2-4) 横向电光调制横向电光效应的运用：可以分

23、为三种不同形式：沿z轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与x轴或y轴成45°夹角(晶体为45°-z切割)。横向电光调制如图6所示。进入晶体后，将分解为沿x¢和z方向振动的两个分量，其折射率分别为和。若通光方向的晶体长度为L，厚度(两电极间的距离)为d，外加电压，则从晶体出射两光波的相位差为 (3.2-9)在实际应用中，主要是采用一种“组合调制器”的结构予以补偿。常用的补偿方法有两种：一种方法是将两块尺寸、性能完全相同的晶体的光轴互成90°串联排列，即一块晶体的y¢和z轴分别与另一块晶体的z和y¢平行；另一种方法是，两块晶体的z轴和y&

24、#162;轴互相反向平行排列，中间放置 l/2波片。这两种方法的补偿原理是相同的。外电场沿z轴(光轴)方向，但在两块晶体中电场相对于光轴反向，当线偏振光沿y¢轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿z方向的e1光和沿x¢方向的o1光两个分量，当它们经过第一块晶体之后，两束光的相位差 经过l/2波片后，两束光的偏振方向各旋转90°，经过第二块晶体后，原来的e1光变成了o1光、o2光变成e2光，则它们经过第二块晶体后，其相位差 。于是，通过两块晶体之后的总相位差为 (3.2-10)因此若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，自然双折射的影响即可得到补偿。2. 电光相

25、位调制 电光相位调制的原理图，它由起偏器和电光晶体组成。外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位的变化为 (3.2-11)输出光场为 则上式可写成 (3.2-12)入射光偏振器调制光VLx¢y¢z图1 电光相位调制原理图3.3声光调制1.声光调制器的工作原理声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。布喇格衍射效率均与附加相位延迟因子有关，声致折射率差正比于弹性应变S幅值，而S正比于声

26、功率Ps，故当声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之做相应的变化。 拉曼-纳斯型衍射，调制器的工作原理如图2(a) 所示，工作声源频率低于 10MHz。布喇格型声光调制器工作原理如图2(b)所示。在声功率Ps(或声强Is)较小的情况下，衍射效率hs随声强度Is单调地增加(呈线性关系)： (3.3-1)式中的因子是考虑了布喇格角对声光作用的影响。由此可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到了调制。布喇格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。3. 声光调制器的衍射效率 声光调制器的另一重要参量是衍射效率。，要得到100的调制所需要的声强度为 (3.3-6)所需的声功率 (

27、3.3-7)可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而且电声换能器的截面应做得长（L大）而窄（H小）。 (3.3-8)f0：声中心频率， 为表征声光材料的调制带宽特性的品质因数。M1值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。 (3.3-9)3.4 磁光调制 磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转 (3.4-1) 1. 磁光体调制器磁光体调制器的组成如图1所示。为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光

28、传播方向的磁场，入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度H。 (3.4-2)qs：是单位长度饱和法拉第旋转角；是调制磁场。如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。zzHdc45°入射光起偏器调制信号检偏器YIG棒图1 磁光调制示意图2. 磁光隔离器磁光隔离器作用：磁光材料（3分）工作原理：，产生法拉弟旋光效应；起偏与检偏夹角45度；正向光，线偏振光通过磁光介质后（调整B或L），偏振面旋转 45度，正好通过；反向光，线偏振光通过 磁光介质后（调整 B或 L）偏振面同（空间）方向再转45度，与成90度，不通过； 3.6光束扫描技术光束扫

29、描技术根据应用目的不同可分为两种类型：一种是光的偏转角连续变化的模拟式扫描，它能描述光束的连续位移；另一种是不连续的数字扫描，它是在选定空间的某些特定位置上使光束的空间位置“跳变”。前者主要用于各种显示，后者则主要用于光存储。1. 机械扫描机械扫描技术是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动实现光束扫描。图1所示，激光束入射到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的激光束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。入射光束扫描光束反射镜图1 机械扫描装置示意图2. 电光扫描电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间的传播方向，其原理如图2所示。LdBAyxBAq光束的偏转方向图2 电光扫描

30、原理图光束射出晶体后的偏转角q 可根据折射定律求得。设，则 (3.6-2)式中的负号是由坐标系引进的，即q 由y转向x为负。图2所示的是根据这种原理作成的双KDP楔形棱镜扫描器。它由两块KDP直角棱镜组成，棱镜的三个边分别沿x¢、y¢和z轴方向，但两块晶体的z轴反向平行。光线沿方向传播y¢且沿方x¢向偏振。在这种情况下，电光偏转角为： (3.6-3)取 L=d=h=1cm，r63=10.5´10-12mV，no=1.51，V= 1000V，则得 q=35´10-7rad。可见电光偏转角是很小的，很难达到实用的要求。dqzEy¢

31、;x¢入射光图2 双KDP楔形棱镜扫描器为了使偏转角加大，而电压又不致太高，因此常将若干个KDP棱镜在光路上串联起来，构成长为mL、宽为d、高为h的偏转器，如图3所示。总的偏转角为每级（一对棱镜）偏转角的m倍，即 (3.6-4)一般m为410，m不能无限增加的主要原因是激光束有一定的尺寸，而h的大小有限，光束不能偏出h之外。hn+Dnn-Dnn+Dnn-Dnqx¢y¢图3 多级棱镜扫描器4. 声光扫描声光扫描器的结构与布拉格声光调制器基本相同，所不同之处在于调制器是改变衍射光的强度，而扫描器则是利用改变声波频率来改变衍射光的方向。声光扫描原理超声频率改变Dfs引起光束偏转角的变化为 (3.6-7)声光扫描器的主要性能参量声光扫描器的主要性能参量有三个:可分辨点数，它决定描器的容量。偏转时间t，其倒数决定扫描器的速度。衍射效率hs，它决定偏转器的效率。第4章 光辐射的探测技术4.1 光电探测器的物理效应一、光电发射效应在光照下,物体向表面以外的空间发射电子