2013年6月15日,光電工程學院,主講：徐寧,物理光學Physicaloptics,Email:xuningOffice:教4-1樓,2,2013/2014(1),光電工程學院,一、課程性質、目的和任務,1.性質：專業(yè)基礎課后續(xù)課：激光原理、光纖通信原理與系統(tǒng)、光電傳感技術等,2.目的：基本原理分析問題方法知識的應用,教學內容：電磁場基本知識光的干涉、衍射晶體光學光與物質的作用課時分配48課時,3,2013/2014(1),光電工程學院,一、課程性質、目的和任務,成績評定平時：（作業(yè)、到課率、答疑、課堂提問等）30期末考試：70,學習方法掌握重點培養(yǎng)興趣獨立思考主動質疑,參考書物理光學，劉晨.合肥工業(yè)大學出版社.2007年光學原理與應用，廖延彪.電子工業(yè)出版社.2006年光學習題課教程，鄭植仁.哈爾濱工業(yè)大學出版社.2006年,4,2013/2014(1),光電工程學院,緒論,光學發(fā)展簡史,光學是一門研究光（電磁波）的行為和性質，以及光和物質相互作用的物理學科。,5,緒論,6,2013/2014(1),光電工程學院,緒論,光學發(fā)展5個時期：一、萌芽時期：光的直線傳播、視覺和顏色認識，光的反射、折射和透鏡反射鏡的利用，對大氣光學現象的探討。二、幾何光學時期：建立光的反射定律和折射定律，奠定幾何光學基礎三、波動光學時期：干涉、衍射解釋，波動光學的形成，光是一種電磁波四、量子光學時期：光和物質相互作用，量子光學五、現代光學時期：傅里葉光學；光學信息處理；非線性光學,7,光電工程學院,A、墨翟：在他和其弟子所著的墨經中，對光現象有八條定性記載,對簡單光現象進行了記載并做了不系統(tǒng)的研究，制造了簡單的光學儀器（如平面鏡、凸面鏡、凹面鏡)。,正確反映了光的直線傳播規(guī)律錯誤：人眼能發(fā)出光線,B、歐幾里德：在其著作光學一書中提出觸須學說：,代表人物和成就：,、萌芽時期,墨翟（公元前468376年）,歐幾里德（古希臘，公元前330275年）,8,、幾何光學時期,幾何光學時期是光學發(fā)展的轉折點，系統(tǒng)研究了光現象和光學儀器，建立了直線傳播定律、反射定律、折射定律；提出了費馬原理、光程、光強、顏色等概念，并觀察了棱鏡光譜等較復雜的光現象，建立、鞏固和發(fā)展了牛頓微粒學說。同時，波動理論開始盟芽。,代表人物和成就：,A、費馬（法，16011665）：提出了幾何光學的基本原理費馬原理，由它可導出直線傳播定律、反射定律、折射定律和面鏡、透鏡成象規(guī)律。,B、牛頓（英，16431727）：建立了光是微粒流的微粒學說，進行了白光通過棱鏡的實驗，提出了光譜、光強、顏色等概念，觀察并研究了牛頓環(huán),C、李普塞：1608，發(fā)明并制造了世界上第一臺望遠鏡。,D、馮特納：發(fā)明并制造了世界上第一臺顯微鏡。,粒子：Paticle,波：wave,9,、波動光學時期,建立了光的波動理論，園滿解釋了光的干涉、衍射和偏振現象；通過邁克爾遜干涉儀否定了“以太”的存在；提出并證實了光的本質就是電磁波,C、菲涅耳（法,17881827）：利用楊氏干涉原理補充惠更斯原理提出了惠更斯-菲涅耳原理，園滿解釋了光的直線傳播定律和衍射現象。建立了菲涅耳公式。在牛頓物理學中打開了第一個缺口，為此，他被人們稱為“物理光學的締造者”。,D、馬呂斯（法，17751812）：發(fā)現了光的偏振現象，建立了馬呂斯定律，研究了偏振光的干涉。,代表人物和成就：,B、楊氏（英，17731829）：最先利用干涉原理解釋白光下的薄膜顏色，設計并完成著名的楊氏雙縫干涉實驗，并第一次成功地測定了光的波長。提出了光是橫波的假設。主要貢獻：楊氏雙縫實驗，楊氏模量，視覺和顏色，醫(yī)學，語言學，埃及象形字,A、惠更斯（荷蘭，16291695）：光的波動理論的創(chuàng)始人，提出了“光是以太中傳播的波動”理論和次波假設（惠更斯原理）。并園滿解釋了反射、折射定律和雙折射現象。,實物粒子與光一樣具有波（Wave）、粒（Particle）二象性,10,黑體輻射問題：普朗克(德,18581947),解釋光電效應：愛因斯坦(美,18791955),德布羅意（法，18921989）提出物質波假說，戴維孫與革末的電子衍射實驗證實電子具有波動性,X射線散射實驗：康普頓(美,18921962),發(fā)現經典電磁理論在研究光與物質的相互作用時的缺點，建立了光的量子理論，園滿解釋了黑體輻射、光電效應和康普頓效應現象；提出了光的波粒二象性。,、量子光學時期,11,2013/2014(1),光電工程學院,、現代光學時期,自1960年梅曼（美，19272007）制成第一臺紅寶石激光器，光學進入了新的發(fā)展階段，激光物理、激光技術、全息攝影術、光纖的應用、光腦的設想、紅外波段的應用，非線性光學等，派生了許多嶄新的分支學科。,12,2013/2014(1),光電工程學院,緒論,1907年:邁克爾遜，美國，測量光速,1902年：塞曼,荷蘭,發(fā)現磁力對光的塞曼效應,1919年：斯塔克，德國，發(fā)現正離子射線的多普勒的效應和光線在電場中的分裂,1921年：愛因斯坦，美籍德裔，闡明光電效應原理,1923年：密立根，美國，測量電子電荷，并研究光電效應,1924年：西格班，瑞典，研究X射線光譜學,1930年：拉曼，印度，研究光的散射，發(fā)現拉曼效應,13,2013/2014(1),光電工程學院,緒論,1953年：塞爾尼克,荷蘭,發(fā)明相位差顯微鏡,1955年：蘭姆,美國,研究氫原子光譜的精細結構,1958年：塔姆、弗蘭克、切倫科夫，蘇聯,發(fā)現并解釋切倫科夫效應,1964年：湯斯，美國，研究根據微波激射器和激光器的原理構成振蕩器和放大器巴索夫，前蘇聯，用于產生激光光束的振蕩器和放大研究工作。普洛霍羅夫，前蘇聯，在量子電子學中的研究工作導致微波激射器和激光器的制作。,14,2013/2014(1),光電工程學院,緒論,1971D.,加波,英國,全息攝影術的發(fā)明及發(fā)展,1971年：加波，英國，全息攝影術的發(fā)明及發(fā)展,1981年：布洛姆伯根、肖洛，美國激光光譜學與非線性光學的研究,1997年：朱棣文，美國；塔諾季，法國；菲利浦斯，美國；激光冷卻和陷俘原子,2005年：羅伊格勞伯，美國，對光學相干的量子理論的貢獻,約翰霍爾，美國，特奧多爾亨施德國對基于激光的精密光譜學發(fā)展作出的貢獻,1966年：卡斯特萊，法國發(fā)現并發(fā)展光學方法以研究原子的能級的貢獻,2009年：高錕，光在纖維中的傳輸以用于光學通信博伊爾和史密斯發(fā)明了半導體成像器件電荷耦合器（CCD）圖像傳感器,15,2013/2014(1),光電工程學院,緒論,光學研究三個方面：,固體發(fā)光、電光源、激光、氣體放電、化學光源電致發(fā)光、半導體光源,經典光學：幾何光學，物理光學、分子光學、近代光學（激光問世后）：,1.大空間范圍干涉：相干光學、統(tǒng)計光學、薄膜光學衍射：傅立葉光學、衍射光學、二元光學偏振：晶體光學、偏振光學其它：矩陣光學、激光束光學、海洋光學、大氣光學、生理光學等,小空間范圍導波光學、光纖光學、二元光學、微光學、近場,大光能量非線性光學、強光光學、自適應光學,4.非均勻介質非均勻介質光學、散射光學、組織光學,17,2013/2014(1),光電工程學院,緒論,照相底片（光化學作用）、眼睛（光生理效應）、光電器件（光電效應）、熱釋電器件（電熱效應）,18,2013/2014(1),光電工程學院,緒論,傳輸介質折射率n（左右光學傳播規(guī)律的基本參量）,決定光線傳播的方向,n常量各向同性介質直線傳播各項異性雙折射,引起折射率變化因素：,波長,外場（磁、電、聲、熱等）,時間（非穩(wěn)態(tài)）,n變量曲線傳播,光波的波長（）,光與物質作用，其效應與波長有關；傳輸特性與波長有關,19,2013/2014(1),光電工程學院,緒論,光波能量,光的偏振,衍射效率,干涉效率,光與物質作用,光的應用,1、光學觀測儀器,2、光學檢測、計量儀器和光學檢測方法,3、光學加工、光學醫(yī)療系統(tǒng),4、信息傳輸,20,2013/2014(1),第一章,第1章光在各向同性介質中的傳輸特性,本章重點和難點：,折射率的概念,2.平面波、球面波、柱面波、高斯光束特性及數學表示,3.相速度、群速度概念,4.光波場的空間頻率,5.光的偏振態(tài)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,21,2013/2014(1),第一章,1.1.1光波與電磁波麥克斯韋電磁方程,1.電磁波譜,按頻率(或波長)的次序排列成譜。,光學區(qū)域包括紅外線、可見光和紫外線，光譜區(qū)域波長范圍約從1mm到10nm或（1012-1016Hz）,1mm到10nm,1012-1016Hz,22,2013/2014(1),第一章,23,2013/2014(1),第一章,24,2013/2014(1),第一章,2.麥克斯韋電磁方程,由麥克斯韋電磁方程，結合具體的邊界條件及初始條件，可定量研究光的各種傳輸特性。,D:電位移矢量：自由電荷體密度E：電場強度B：磁感應強度H：磁場強度J:傳導電流密度,電場的高斯定律：電場可以是有源場；電力線必須從正電荷出發(fā)終止于負電荷。,磁通連續(xù)定律：磁場是無源場；通過閉合面的磁通量等于零，磁力線是閉合的。,法拉第電磁感應定律：變化磁場產生感應電場（渦旋場），其電力線是閉合的。,安培全電流定律：傳導電流和位移電流都對磁場的產生有貢獻。,25,2013/2014(1),第一章,3.物質方程,描述介質特性對電磁場影響的方程物質方程,介電常數=0r，0真空中介電常數，r相對介電常數，描述介質的電學性質。,介質磁導率，0真空中磁導率，r相對磁導率,描述介質的磁學性質。,介質的光學特性是均勻各向同性：、是與空間位置和方向無關的常數,介質的光學特性是各向異性：、是張量。,26,2013/2014(1),第一章,物質方程給出了媒質的電學和磁學性質，它們是光與物質相互作用時媒質中大量分子平均作用的結果。,27,2013/2014(1),第一章,4波動方程,麥克斯韋方程組描述了電磁現象的變化規(guī)律，在空間傳播的電磁波應滿足描述這種波傳播規(guī)律的波動方程,假設：1）介質均勻2）無源場（=0，J=0）,28,2013/2014(1),第一章,我們得：,同理,其中，電磁場在介質中的傳播速度,真空中的傳播速度：,引入光的折射率：,29,2013/2014(1),第一章,30,2013/2014(1),第一章,5.光電磁場的能流密度,電磁場的能量定理,假設：介質是絕緣體，=0，j=0。,31,2013/2014(1),第一章,定義玻印廷矢量S：S=EH,E、H、S三者矢量方向滿足右手螺旋定則,電磁場總能量密度w=we+wm,電磁場能量定律的微分形式：,上式體積分：,由高斯定理：,：包圍體積v的整個表面d：是上的面積元n:d的單位法向矢量,32,2013/2014(1),第一章,電磁場能量定律的積分形式,物理意義：體積V中單位時間內總電磁能量的減少等于從V的整個表面流出的電磁能量。,光強度：,注：在某些場合，只考慮某一種介質的光強，只關心光強的相對值，因而省略比例系數，光強寫成,若考慮的是不同介質中的光強，比例系數不能省略,33,2013/2014(1),第一章,1.1.2幾種特殊形式的光波,電磁場滿足的波動方程：,邊界條件的不同，方程的解,平面光波,1.平面光波,光與介質的相互作用來看，磁場的作用遠比電場弱。通常把光波中的電矢量E稱為光矢量，電場E的振動稱為光振動。,球面光波,柱面光波,高斯光束,34,2013/2014(1),第一章,1）波動方程的平面光波解,在直角坐標系：由波動方程求解得：,當(z-vt)=c的點處于相同的振動狀態(tài)。如圖,t=0,t1,t2,f1是沿z軸的正方向傳播，f2是沿z軸的負方向傳播。,35,2013/2014(1),第一章,波振面：將某一時刻振動相位相同的點連結起來，組成的曲面。,平面光波：波振面垂直與傳播方向的平面。,36,2）單色平面波,三角函數形式：,固定某一時刻t=t0，波在空間的分布：,固定空間某點z=z0,隨時間周期振動：,表示波的時間周期性,空間周期：空間頻率：1/空間角頻率：k=2/,表示波的空間周期性,時間周期：T時間頻率:=1/T角頻率:=2/T,37,2013/2014(1),第一章,復數表示：,光強：,復振幅：,場振動的振幅和相位隨空間的變化,空間,平面簡諧波沿任一波矢k方向傳播，則,38,2013/2014(1),第一章,相應的共軛光波復振幅為（復振幅之間的復數共軛關系）：,圖1-3平面波及其相位共軛波,39,2013/2014(1),第一章,2)球面波,等相面以點光源為中心，隨著距離的增大逐漸擴展的同心球面,波陣面,圖1-4球面光波示意圖,滿足波動方程，在球坐標系中為,40,2013/2014(1),第一章,其解為,簡諧球面波數學表示,3）柱面波,一個各向同性的無限長線光源，向外反射的波為柱面波，等相面以線光源為中心軸，隨距離增大而逐漸展開的同軸圓柱面。,z,（三角函數）,(復數),（復振幅）,41,2013/2014(1),第一章,其解為,4）高斯光束,一種振幅和等相面都在變化的高斯球面光束（激光器產生的光束）,其解為,其中：,42,2013/2014(1),高斯光束的基本特性：,基模高斯光束在橫截面內的光電場振幅分布按照高斯函數的規(guī)律從中心(即傳播軸線)向外平滑地下降,光斑半徑w(z),光斑半徑隨著坐標z按雙曲線的規(guī)律擴展,高斯光束的束腰半徑w0,R(z):與傳輸軸線相交與z點的高斯光束等相位面（球面）的曲率半徑,激光束發(fā)散角,基模（TEM00）:,43,2013/2014(1),第一章,其中,f:高斯光束的共焦參數（瑞利長度）,基模高斯光束場的相位因子,kz:描述了高斯光束的幾何相移,高斯光束在空間行進距離z處、相對于幾何相移的附加相移,當z時，R(z)z表明束腰無限遠處的等相面為平面；,44,2013/2014(1),第一章,當z=f時，R(z)=2f，達極小值；,當0zf時，R(z)2f，表明等相面的曲率中心在（-，-f)區(qū)間；,當zf時,zR(z)z+f，表明等相面的曲率中心在（-f，0)區(qū)間。,基模高斯光束既非平面波，又非均勻球面波，可以看作是一種非均勻的球面波，其等相面是曲率中心不斷變化的球面，振幅和強度在橫截面內保持高斯分布。,45,2013/2014(1),第一章,1.1.3光波場的時域頻率譜,光波場在時間域內的變化表示為E(t),2、頻率譜,由傅里葉變換，它可以展成如下形式：,一個時域光波場E(t)可以在頻率域內通過它的頻譜描述.,隨時間變化的光波場振動E(t)，由許多單頻成分簡諧振蕩疊加,各成分相應的振幅為:,46,2013/2014(1),第一章,一般E()為復數，又可表示為,模：E(),輻角：（）,幾種光波場E(t)的頻譜分布：,（1）無限長時間的等幅振蕩,在時域區(qū)表達式：,頻譜：,功率譜為：,E0,0,47,（2）持續(xù)有限時間的等幅振蕩,功率譜：,時域區(qū)：,T,頻譜：,48,(3)衰減振蕩,時域：,頻譜：,功率譜：,衰減振蕩可視為無限多個振幅不同，頻率連續(xù)變化的簡諧振蕩的疊加,頻譜寬度:最大強度一半所對應的兩個頻率1和2之差,49,2013/2014(1),第一章,(4)準單色光,例：表觀頻率為0振動，振幅為高斯函數的準單色光波：,b)對于衰減振蕩，若很小，頻譜很窄,a)持續(xù)有限時間的等幅振蕩，如果其振蕩持續(xù)時間很長，以致于1T<<0，E()的主值區(qū)間(0-1T)(0+1T)很窄,在以下條件可認為接近于單色光：,頻譜分布：,50,2013/2014(1),第一章,功率譜：,高斯型準單色光的頻譜仍是高斯型，中心頻率為0,頻譜寬度：最大強度1/e處所對應的兩個頻率1和2之差,51,2013/2014(1),第一章,1.1.4相速度和群速度,相速度：等相面的傳播速度v(r)，簡稱相速度。方向垂直于等相面。,單色光波的速度,電場：,等相位面滿足,上式兩邊對時間求導，得,其值為,當r0垂直于等相面,此時最小值,52,2013/2014(1),第一章,波矢為k的單色平面波相速度,相速度不是光能量的傳播速度,當相速度大于真空中的光速度。（在反常色散區(qū)）,2.復色波的速度,例：兩色波的光電場,若：，且則,復色波的光電場是所包含各個單色光波電場的疊加，即,53,2013/2014(1),第一章,因此：,54,2013/2014(1),第一章,1）復色波的相速度,2）復色波的群速度,等振幅面的位置對時間的變化率，即為等振幅面的傳播速度：,55,2013/2014(1),第一章,正色散負色散,復色波是由許多單色波組成，只有復色波的頻譜寬度很小時，才能得到穩(wěn)定的波群。,波群在介質中傳播時，由于介質的色散，不同的單色波的傳播速度不同，隨著傳播的推移，其形狀與初始不同。由于不存在不變的波群，其群速度概念無意義。介質的色散很小，群速度概念有意義,在群速度有意義時，它是光波能量的傳播速度,56,2013/2014(1),第一章,1.1.5光波場的空間頻率與空間譜（p176）,1.空間頻率,單色平面波光波場的表示：,空間頻率：表示光波場沿波矢方向每增加單位長度，光波場增加的周期數，即,注：,例：光沿z軸正方向傳播。,1）在波的傳播方向上，空間頻率是:,2）在方向上觀察，空間頻率是:,57,2013/2014(1),第一章,x,光沿k矢量（在XOY平面）方向傳播的平面波：,x,k,y,o,y,波平面,1）k方向的空間頻率,2）x方向的空間頻率,3）y方向的空間頻率,同時,58,2013/2014(1),第一章,光沿k矢量沿任意空間方向傳播的平面波：,結論：一個平面光波的空間傳播特性可以用空間頻率參量描述。研究的光波沿著傳播方向的空間周期分布時，每一個空間頻率對應與一定波長的單色波。,波數k與頻率的關系：,59,2013/2014(1),第一章,例：振幅為A，波長為的單色平面波的方向余弦為,試求它在xy平面上的,復振幅及空間頻率。,xy平面上的復振幅：,60,2013/2014(1),第一章,2.空間頻率譜,光波場在xy平面上的復振幅分布：,傳播方向的方向余弦為：,隨fx、fy變化分布，稱為的空間頻率。,61,2013/2014(1),第一章,1.1.6光波的橫波性、偏振態(tài)及其表示,1.平面光波的橫波特性,設平面波的電場和磁場為,代入麥克斯韋方程,得：,各向同性介質，D/E，有,非磁鐵性介質，B=H，有,平面光波的電場矢量和磁場垂直于波矢方向，平面波是橫電磁波。,62,2013/2014(1),第一章,由前幾式，可得,因此，k、D(E)、B(H)三矢量構成右手螺旋直角坐標系統(tǒng)。,又,所以,各項同性介質,在各向同性介質中，平面光波的波矢方向(k)與能流方向(S)相同,又,E和H的數值之比為正實數，E和H同相位。,63,2013/2014(1),第一章,2.平面光波的偏振特性,（1）光波的偏振特性：,（b）在垂直傳播方向的平面內，光振動方向相對光的傳播方向不對稱性,光矢量振動方向與光波傳播方向垂直,（2）光波的偏振態(tài),橢圓偏振,電場矢量為,線偏振,圓偏振,t=T,t=T,t=T,64,將其表示為沿x、y方向振動的兩個獨立分量的線性組合，即,兩式中消去變量t,經運算得：,（1）線偏振光,=m(m=0,1,2,)時，橢圓退化為一條直線，稱線偏振光。有,m為零或偶數時，光振動方向在1、3象限內,m為奇數時，光振動方向在2、4象限內,65,2013/2014(1),第一章,線偏振光的復數表示：,t1,66,2013/2014(1),第一章,（2）圓偏振光,當Ex、Ey的振幅相等（E0 x=E0y=E0），相位差=m/2(m=1,3,5,)時，橢圓退化為圓，稱圓偏振光。有,圓偏振光的復數表示：,Ex超前Ey/2,（2）圓偏振光,68,2013/2014(1),第一章,光矢量在垂直傳播方向的平面內大小和方向都在改變，它的末端軌跡為橢圓。橢圓的長、短半軸和取向與Ex、Ey的振幅和相位差有關。,2m<=(2m+1)右旋橢圓偏振光(2m-1)<=2m左旋橢圓偏振光,橢圓偏振光的復數表示：,（3）橢圓偏振光,70,2013/2014(1),第一章,