第一章辐射度和光度学基础

1、光电信息技术光电信息技术张永爱张永爱物理与信息工程学院物理与信息工程学院光电信息技术的研究内容光电信息技术是将光学技术、光子技术、光电子技术光电信息技术是将光学技术、光子技术、光电子技术电子技术、计算机技术以至材料技术相结合而形成的电子技术、计算机技术以至材料技术相结合而形成的一门高新技术，它以光波（辐射）为基本信息载体，一门高新技术，它以光波（辐射）为基本信息载体，通过对光波（辐射）通过对光波（辐射） 的控制、调制、接收、存储、处的控制、调制、接收、存储、处理和显示等技术方法，获取所需要的信息，以达到为理和显示等技术方法，获取所需要的信息，以达到为不同的应用需求服务的目的。不同的应用需求服务

2、的目的。光电信息技术的特点有效扩展人类自身的视觉功能，促进人类视觉探测的有效扩展人类自身的视觉功能，促进人类视觉探测的光谱延伸和阈值扩展。光谱延伸和阈值扩展。以光子作为信息载体，具有极快的响应速度、极宽的以光子作为信息载体，具有极快的响应速度、极宽的频宽、极大的信息容量和极高的信息效率。频宽、极大的信息容量和极高的信息效率。光电信息技术发展概况光电信息技术发展概况光电探测器光存储技术光源发光器件光纤通信技术平板显示技术诊断与医疗诊断与医疗交通与运输交通与运输光电对抗光电对抗激光武器激光武器通通 信信材料能源材料能源精确测控精确测控机械加工机械加工光电信息技术地位与作用测绘遥感测绘遥感 技术领域

3、技术领域 应应 用用 空间光学望远镜：美国空间光学望远镜：美国2.4m口径哈勃望远镜口径哈勃望远镜 大型天文望远镜：口径为大型天文望远镜：口径为25m的天文望远镜在筹建中的天文望远镜在筹建中 光光 学学 激光器激光器 激光系统激光系统 发光与显示发光与显示 激光加工（打孔、切割、焊接、表面处理等）激光加工（打孔、切割、焊接、表面处理等） 机机 械械 激光光刻与微细加工（激光光刻与微细加工（0.30.5 m） X 射线光刻（射线光刻（n3=n1光导纤维简称光纤，由能传导光波的玻璃纤维构成，是常用的圆形光波导，包括纤芯和包层两部分。纤芯的直径约5100um，包层有一定的厚度，其外径约125um。纤

4、芯的折射率比包层约高1，光波局限于纤芯和包层的界面内向前传播。 如果纤芯的直径与光波波长相仿（例如为5um），光波导中可能只传播一种模式，这样的光纤称为单模光纤；如纤芯直径比较粗（如50um），则光波导中可能有许多沿不同途径同时传播的模式，这样的光纤称为多模光纤。 光纤截面上折射率分布有两种。一种是阶跃折射率分布，即纤芯内有均匀的折射率，到了与包层的界面突然阶跃下降到包层的折射率。光纤目前主要用于光通信中传输光信号，也用在红外系统中耦合和传输光信号，光纤用于近红外波段。近年来有用于微波、光学、红外成像系统的相位延迟等。在光通信中目前用得多的是0.8um1.6um。 光波导中的导波模和辐射模光波

5、导中的导波模和辐射模 分析光波导，可采用射线理论或波动理论。射线理论就是几何光学，优点是简单、直观。一般来说，射线理论只能得出近似的结果，而要得到全面正确的分析结果，还必须应用波动理论。波导辐射模衬底辐射模导波模光线在下界面的全反射临界角为 ，在上界面的全反射临界角是 。当从零增加到超过临界角时，有三种不同的情况发生2332arcsin nn2112arcsin nn当 时，由衬底一侧入射的光线折射入薄膜层以后，又通过上界面折射到包层中。反之，由包层一侧入射的光通过薄膜折射到衬底中与此相应的电磁模式称为波导辐射模。当 时，由衬底一侧入射的光在薄膜下界面折射入薄膜内，在上界面全反射后又折射到衬底

6、中。与此相应的模式称为衬底辐射模。如果 ，那么薄膜层内的光在薄膜的上、下界面上不断地遭受全反射，从而在薄膜内沿锯齿形光路传播。与此相应的电磁模式是导波模或局限模。 210232123/2用波动理论分析，就是求解波动方程。在介质波导中的波动方程222002,E r tE r tE r tt 22000k 22200E rk n r E r ,expE r tE x yitz 22222022,0E x yk n rE x yxy 令 ，则上式可写成设光波沿着Z方向传播，电场矢量为式中 为传播常数，则有图是不同 值时的电场分布对于我们所讨论的平板波导， ，参阅上图可列出、三个区域内的波动方程为0y

7、 区域区域区域其中 是 的直角坐标分量2222012,0E x yk nE x yx2222022,0E x yk nE x yx2222032,0E x yk nE x yx,E x y,E x y当k0n2时，平板波导3个区域内的解都是指数形式，因为E（x）必须满足边界条件，电场分布应如图中（a）所示，这样的波长不存在在 时，图中（b）和（c）情况，这种模式所携带的能量局限于薄膜层及其附近。这就是前面所说的导波模或局限模。因此导波模存在的必要条件是当 时，图中（d）的情况，其解在区域中是指数形式的，而在区域和中是正弦形式的。这种模式就是前面讨论过的衬底辐射模。假若 , 的解在三个区域内都是

8、正弦形式，这是波导辐射模。0 20 3knkn 0 20 3k nk n0 30 1k nk n0 10k n E x阶梯折射率分布光纤的射线分析阶梯折射率分布光纤的射线分析 光纤的截面 射线在光纤中的传播折射率为 的区域是光纤的纤芯，其半径为 。折射率为 的区域是包层。入射光纤与轴线的夹角是i。 1na2n令折射线与界面的法线的夹角为 ，假定外部的折射率为 ，则有0n01sinsin2inn01cossininn或21sinnn1/2221cos1n n或 1/21/22221212010sin1innnnnnn要在纤芯和包层的界面上产生全反射，必须有因此，为了得到导波，入射角必须满足不等式

9、如果从空气中入射， ，则得到可以激发导波的最大入射角为 01n 1/ 222max12sininnmax2i-光纤的受光角 它表示在 范围内的入射光，都可以在光纤内传播，而超出该范围的入射光线不满足在光纤内传播的条件。max2i假若一个光锥入射到光纤的一端，那么圆锥的半角小于 的部分被导引通过光纤。这个角度是聚焦光功率的量度，因此可用下列方程来确定光纤的数值孔径maxi1/22212NAnn数值孔径越大，光纤就越容易激发用波动理论分析光纤的导波模，就是用麦克斯韦方程用波动理论分析光纤的导波模，就是用麦克斯韦方程求解求解。n1n2，k0n2k0n1，意味着平面电磁波基本上与z轴平行才能形成全反射

10、。可以近似用TEM波来描述横向电场和磁场之间的关系。标量波动方程可用圆柱坐标系写成22222110rkrrrr应用分离变量法，可解得1expmurc Jitzma0 r a 2expmwrc Kitzmaa r 2222102unka222222120222uwvnnkaaa2222202wnka 22mmu Juw Kw 112mmmmKw KwKwKw 112mmmmJu JuJuJu其中而利用边界条件r=a处，横向电场和磁场强度连续的条件，可消去待定系数，得到能描述导波模特征的特征方程其中根据前面导波模式条件是 22221020zn kkn k时，22222020wnka-临界状态如果

11、，包层里将不发生衰减，波的性质就不再是导波模而是辐射模了。 代表着截止。20w0w 不同的波型有不同的截止频率，利用截止条件可对波型进行划分。根据汉克函数的特性，在0时，2Km（）总为0，截止时的特征方程是 20mu Ju 从m=0开始，有一系列的u值使 满足特征方程，它们是0，3.832，7.016，10.173。当u等于这些值时，导波截止。 10Ju对于 m=1 ，也有一系列的值能满足特征方程，它们是2.401，5.520，8.654 对于m为其它值，也有一系列相应的波型。因此，在一般情况下，光纤内有许多波型同时传输，称为多模传输。理论分析表明，在阶跃折射率分布的光纤中，在v2.4 后，模

12、式数N与v值的关系是0022vN1/21/22222012122avk a nnnn是一个综合了光纤的半径、纤芯和包层的折射率以及传输的波长的综合参数。已知一阶跃型光纤，纤芯折射率n1=1.464，包层的折射率n2=1.46，计算该光纤的受光角 max2的数值孔径NA？当纤芯半径a=8um，入射光的波长 相应光纤=0.8um，求光纤中通过的模式数N？22max12sin0.108innmax22arcsin0.10812.4i受光角22120.108NAnn221222 3.14 8 0.1086.78240.8Vann 22/ 26.7824/ 223()SIMV 取整光纤的传输特性光纤的传

13、输特性 光纤损耗 光纤色散 ）光纤损耗光纤损耗吸收损耗 散色损耗 本征吸收杂质吸收原子缺陷吸收材料散射 光波导散射 本征散色非线性效应散射吸收损耗尽管引起吸收的机理各不相同，但是都与材料的量子跃迁有关，当光照射到光纤材料中的原子、分子或离子上，若光子能量恰好等于电子能级间的能量差，则光能量将转移给电子，使之产生能级跃迁。对光吸收包括：本征吸收、杂质吸收、原子缺陷吸收 指光在传播过程中转换成热量的那部分光能本征吸收 本征吸收主要是指光纤材料本身的吸收杂质吸收 杂质吸收主要是指光纤材料中的过渡金属正离子（Cu+、Cr+、Co+）和水分子中的氢氧基负离子的吸收。原子缺陷吸收 主要是由玻璃制造的热经历

14、或射线辐射引起。 散射损耗光在光纤中传播时遇到不均匀性或不连续性造成的损耗。材料散射（包括本征散射和非线性效应散射） 本征散射是由于在光纤制造过程的固热起伏所造成的（光纤在固化时），其密度及折射率分布会产生比波长还要小的周期性变化。非线性效应散射是指高电平光在传播过程中产生的现象 光波导散射 是由于光纤结构的不均匀性（主要是在光纤制造过程中造成）引起的散射损耗。 二）光纤色散-表征光纤传输特性的另一个参量 在光纤中，若输入端射入一个矩形脉冲，经一段距离后，输出的光脉冲变形，此现象就是由于光纤的色散效应引起的。光纤的色散特性用群时延差来表征。光脉冲的群时延 光脉冲沿着光纤传播单位长度所需要的时间

15、 色散 指组成光脉冲的各模分量和频率分量的传播常数不同，因而传播速度不同，导致了群时延的弥散。 模内色散模间色散1）模内色散：多色色散是由光频率的不同，引起光纤折射率、传播常数不同而产生色散的效应 材料色散和波导色散 材料色散是任何一种光纤都具有的性质，色散可正可负 波导色散是因为光纤传输模的群速度随光频率变化而产生的，波导色散都是正值，且数值较小。 2）模间色散是多模光纤中存在的一种弥散现象，是由光纤中不同的传输模的传播速度不同造成 的。光纤耦合和连接光纤耦合和连接光纤是光传播的通道，在实际应用中必须要与光源、光探测器耦合，以及光纤之间的连接。 一）光源与光纤的耦合光源-发光器件、激光器 发

16、光二极管（LED）和激光二极管（LD） 1）LED与光纤的耦合直接耦合-最简单的耦合方式 方法：将一根平端面的光纤放在光源发光面的前面，让光直接照射光纤，若入射光是平面波，则在垂直端面照射（ =0）且光纤的归一化频率较大时，在光纤中激发的主要是基模HE11。 其实LED发出的不是平面波，因为入射光不可能都是垂直照射，其中 0的入射光将激发出高阶模， 越大，激发出的高阶模的数目越多。 由于入射光的上限被光纤的NA限定。所以此耦合方式的效率不会太高。透镜耦合-提高耦合效率的一种方法 透镜的作用：使发光面积在光纤面的成像面积与光纤的纤芯面积匹配 使成像在光纤受光角以内的面辐射强度不断减少 耦合方式：

17、 A、端头透镜耦合法：B、分立透镜耦合法： 光纤的端头加工成球形-（效率提高3-5倍） 在LED和光纤之间放置削顶的圆球形透镜，用胶固定透镜的位置，并使LED的发光面不接触空气。可提高10-20倍。C、将LED的发光面削成半圆球形 D、透镜与LED成一个整体，无交接面-几百倍 2）LD与光纤的耦合 激光源发出的辐射图形，一般具有很好的方向性 但对LD来说，在垂直的方向的发散角仍较大，以至于在直接耦合时，大部分射到光纤上的光线在光纤内形成全反射传输。 耦合效率不仅仅与光纤的NA有关，还与激光束的进场宽度有关。激光器的工作波长0.85um，NA=0.4，发光宽度0.25um 20%耦合方式 A、自聚焦光纤透镜耦合：60%B、将光纤端面加工成球面：20% C、光纤透镜耦合：30% 二）光纤连接 光纤连接与通常的电线连接有不同，电线连接只需要将接触电导体彼此接触即可，而光纤连接必须将纤芯对准，光学接触，实现比较困难 两根相同的光纤连接时，会产生连接损耗 对准损耗 反射损耗 为实现低损耗光纤连接，在连接过