光学-第二章光纤通信的物理学知识1课件

《光学-第二章光纤通信的物理学知识1课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学-第二章光纤通信的物理学知识1课件（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2.1光的本质l1.光沿直线传播l2.光具有波动性；l3.光的量子性思考l天空为什么是蓝色的?夕阳和日出为什么是 红色?l物体为什么显示不同的颜色?l彩虹是怎么形成 的?l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l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。 l光的反射定律：l入射光线、反射光线和垂直界面的法线三 者在同一平面内；l入射角等于反射角；l入射光线和反射光线分居法线的两侧。 光的折射定律：l入射光线和折射光线分别在法线的两侧；l入射角和折射角的正弦之比等于光在该两 种媒质

2、中传播速度之比。l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：l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。l全反射发生的条件?l

3、1.光密介质射向光疏介质l2.入射角大于临界角l临界角的计算公式?l光疏介质折射率n1,光密介质折射率n2,临界 角的大小?l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l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l 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。l人眼所能感受到的光称为可见光。可见光

4、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l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l何谓光的干涉？l光的干涉产生的条件？l普通光能否产生光的干涉？为什么？l光的干涉规律是什么?2.3.2光的干涉l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

5、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l相干光：频率相同、振动方向相同、相位 差恒定。l相干光的获得：分波阵面法和分振幅法 l相干光源：激光光的干涉规律l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。l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。l两束光总的光程差满足如下规律：l入射光满足l= k k=1,2, ，干涉加强。 =（k+1/2）2 k=1,2,，干涉减弱。l(二)透镜不产生附加的光程差l 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

6、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。l (三)由半波损失引起的附加光程差l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。l

7、例：空气中的水平肥皂厚度d0.32um， 折射率n21.33，如果白光照射时，肥皂 膜呈现什么色彩？l课后习题2.32.3.3光的衍射l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。l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，l半波带分析法:lN=asin/2 l当N为奇数时,为明点;l当N为偶数时,为干涉相消,为暗点.l单缝夫琅和费衍射条纹的明暗条件 asin=2K. /2 K=1，2，3暗纹 asin=（2K+1）/2 K=1，2，3明纹 =0 中央明纹单缝衍射l单缝衍射：菲涅耳衍射和夫琅和费衍

8、射。l单缝衍射条纹特征：l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；l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la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；l一定，同一级条纹， a ， ， 缝越 细，条纹越明显，最大衍射角90度la ， 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

9、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。 l 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反射光栅d透射光栅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：sinN2sin2N/sin204-8-48(/d)多光束干涉光强曲线光栅衍射a df透镜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

10、大的位置没有变化。光栅衍射sin0I单I0单-2-112(/a)单缝衍射光强曲线IN2I0单048-4-8sin(/d)单缝衍射轮廓线光栅衍射 光强曲线sinN2sin2N/sin204-8-48(/d)多光束干涉光强曲线光栅衍射2.4光的偏振l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。l自然光为非偏振光；l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

11、 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E播传方向振动面面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyExyx线偏振光的表示法： 光振动垂直板面光振动平行板面 二. 自然光没有优势方向自然光的分解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的分解部分偏振光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： 平行板面光振动较强垂直板面光振动较强四. 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

12、平面偏振光 P = 1自然光 ( 非偏振光 ) P = 0部分偏振光 0 P 12 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 IP偏振化方向 (透振方向) 二. 马吕斯定律I0IPP E0E=E0cos 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I?P待检光思考： 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

13、律一. 反射和折射时光的偏振i = i0 时，反射光只有S分量，i 0 布儒斯特角或 起偏角。并且有： i0 +r0 = 90O -布儒斯特定律 (1812年) n1 n2i ir反射和折射后产 生部分偏振光n1 n2i0i0r0偏振光 S起偏振角根据折射定律：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 i0

14、(接近线偏振光) 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oeeo一. 双折射的概念：1. 双折射n1 n2irore(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。 IIeI0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)AB光轴102 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

15、l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-zl(2) 光的吸收与波长的关系l物质对某些波长的光具有选择吸收性l在无线通信中，就要考虑大气对电磁波的吸收问 题。l光纤对于某种波长的光波也具有强烈的选择吸收 性 l(3) 吸收光谱l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。l思考：为什么物体显示颜色？l2色散l (1) 色散的概念l色散是介质的折射率n随光波波长变化的现象l (2) 正常色散l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。l (3) 反常色散l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。l3散射l(1) 光的散射l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。l(2) 线性散射l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。l(3) 非线性散射l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