信息光電子學基礎PPT演示文稿

1、1第二章第二章 信息光電子學基礎信息光電子學基礎2 光學是一門古老而又年輕、極具生命活力的物理學科，具有強大的生命力和不可估量的發(fā)展前途。 信息光電子學研究內容1、光信息的產生、采集、傳輸、存儲、處理、控制的運動規(guī)律。、光和物質的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的機械作用、光的熱效應、光的電效應、光的化學效應、光的生理效應等。、光的本質的研究。內容可分為幾何光學、波動光學、量子光學、現代光學 。2.1 2.1 信息光電子學的理論體系的發(fā)展信息光電子學的理論體系的發(fā)展3幾何光學幾何光學量子光學量子光學非線性光學非線性光學非線性光學- 研究光與物質作用理論； 電磁光學- 基于maxwell 方程

2、的研究理論； 量子光學- 基于量子論的理論； 信息光電子學研究理論體系4 周朝的金燧取火（公元前1000年） 古埃及金字塔出土的平面鏡（公元前1000年）；墨經中的光線傳播，平面鏡、凹面鏡、 凸面鏡的 成像（公元前400年）； euclid 的反射光學（公元前400年）； 南宋沈括夢溪筆談中，針孔成像、球面鏡成像、 虹霓、月蝕現象的描述。1.古代光學古代光學公元前公元前-16世紀世紀宏觀光學現象的宏觀光學現象的直觀認識直觀認識 信息光電子學發(fā)展史52. 經典光學經典光學 17世紀世紀-19世紀世紀 galilei（伽利略） 望遠鏡（1610年），發(fā)現土星光環(huán)； kepler（開普列）望遠鏡用于

3、天體觀測（1611），kepler三定律； snell（斯涅爾 ）折射定律（1621年）； fermat（費馬）原理: “自然界以時間最短作為行為準則”（1657); newton（牛頓）的微粒學說、色散實驗（1666年）; romer（羅默）根據木星的月蝕測出光速有限（214000km/s） （1676）； huggens（惠更斯）的波動學說（1678）；6 young（楊氏）的干涉實驗（1801）； fresnel（菲涅耳）的波動理論（1814）、反射折射定律(1832) fizeau（斐索）用旋轉齒輪測光速（315300km/s）(1849) foucault（萊昂傅科）測出水中光速比空

4、氣中光速?。?850），與微粒學說矛盾，與波動說吻合； maxwell(麥克斯韋）的電磁波理論(1873)光速 michelson & morley 的干涉實驗（1887）； 19世紀末確立了光的波動理論的統(tǒng)治地位。世紀末確立了光的波動理論的統(tǒng)治地位。 73.近現代光學近現代光學1900- 量子論（1900）； einstein（愛因斯坦） 發(fā)現光電效應（1905）； de broglie（德布羅意） 的物質波理論（1924）； born 的波粒二像性理論（1925）； maiman激光器的誕生（1960）； quantum optics（量子光學）； nonlinear optics（非線性

5、光學）； integrated optics（集成光學）； optical communication（光通信）； holography（全息學）； photonics（光子學）； .現代光學的分支和技術8萌芽時期（約公元前400年公元16世紀）成就 發(fā)現和總結了一些實驗現象，如平面鏡成像、透鏡成像、凹凸面鏡成像、針孔成像的現象和規(guī)律。造出了透鏡、凹凸面鏡、眼鏡、暗箱等光學元件。幾何光學時期（公元16世紀公元19世紀）成就 建立了光的反射和折射定律，奠定了幾何光學的基礎；發(fā)現了干涉、衍射、偏振等光的波動現象，以惠更斯為代表的波動說初步提出。造出望遠鏡（h.lippershey ，1587161

6、9年）、顯微鏡（z.janssen ，15801656年），極大地推動了天文、航海、生物學的發(fā)展。 為幾何光學向波動光學過渡時期，是人們對光的認識逐步深化的時期。9波動光學時期（公元19世紀）成就 惠更斯菲涅耳原理成功地解釋了光的直線傳播、干涉、衍射和偏振現象，奠定了波動光學的基礎；法拉第（m.faraday，1791189717911897年）和麥克斯韋（j.c.maxwell，1831187918311879年）等人揭示了光學現象和電磁現象的內在聯系，赫茲（h.r.hertz，1857189418571894年）測得電磁波的傳播速度等于光速，確定了光的電磁理論基礎。 成功地測定了光的波長，

7、用多種實驗方法測定了光在各種介質中的傳播速度。 光的電磁理論在整個物理學的發(fā)展中起著很總要的作用，使人們在認識光的本性方面向前邁出了一大步。10量子光學時期（公元19世紀末公元20世紀上半葉）成就 愛因斯坦（18791947年）發(fā)展了普朗克的能量子假設，提出了光的量子說，圓滿的解釋了光電效應，并被康普頓效應等許多實驗證實，使人們認識到光的波粒二象性。 光和一切微觀粒子都具有波粒二象性，這個認識促進了原子核和基本粒子研究的發(fā)展，也推動人們進一步探索光和物質的本質，包括實物和場的本質問題?，F代光學時期 20世紀60年代以來是光學發(fā)展最為迅速活躍的時期。成就 激光問世（t.h.maiman ，192

8、7 ），全息術、微波、光纖、紅外技術的應用乃至光計算機的研制，使光學成為現代物理學和現代科學技術領域最重要的前沿之一；理論上出現了許多新的分支學科和邊緣學科，如傅里葉光學、非線性光學、量子光學、激光光譜學、集成光學等。 現代光學與其他科學技術的結合使人們對光本質的認識進一步向前發(fā)展，并在社會生活和生產活動中發(fā)揮極其重要的作用。11信息光電子學信息光電子學光的產生光的產生光的傳播光的傳播光信息獲取光信息獲取熱輻射理論熱輻射理論光和物質相互作用光和物質相互作用自發(fā)輻射自發(fā)輻射大氣中的光傳播大氣中的光傳播晶體中的光傳播晶體中的光傳播薄膜介質中的光傳播薄膜介質中的光傳播光電信號的轉換光電信號的轉換光學

9、成像光學成像人眼人眼受激輻射受激輻射光學變換光學變換介質傳輸光學介質傳輸光學幾何光學幾何光學真空中的光傳播真空中的光傳播物理光學物理光學經典電磁場理論經典電磁場理論經典理論經典理論電磁光學、量子光學電磁光學、量子光學非線性光學非線性光學光電子發(fā)射效應光電子發(fā)射效應光電導效應光電導效應光伏效應光伏效應熱效應熱效應幾何成像幾何成像衍射成像衍射成像掃描成像掃描成像菲涅耳環(huán)帶片成像菲涅耳環(huán)帶片成像全息成像全息成像光譜變換光譜變換光信息控制光信息控制光信息處理光信息處理電光效應電光效應圖像增強圖像增強激光技術激光技術空間濾波空間濾波信息光電子學信息光電子學理論構架理論構架122.2 2.2 光信息的產生

10、光信息的產生2.2.1 熱輻射理論熱輻射理論理論體系：經典電磁場理論，電偶諧振子振蕩理論體系：經典電磁場理論，電偶諧振子振蕩黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律普朗克定律：普朗克定律：1/5212)(kthcehctmh:普朗克常數普朗克常數6.626310-34 ws2，k: 玻耳茲曼常數玻耳茲曼常數1.3810-23wsk-113斯忒藩玻耳茲曼定律（從一平方米表面積的黑體輻射斯忒藩玻耳茲曼定律（從一平方米表面積的黑體輻射到半球空間的總輻射量）到半球空間的總輻射量） 斯忒藩玻耳茲曼常數：斯忒藩玻耳茲曼常數： 40)()(tdtmtm(wm-2)83245106687. 5152hck(wm-

11、2k-4) 單位方向的輻射量：單位方向的輻射量：)()(tmtl4)(ttl14 維恩位移定律：微分普朗克公式，求極大值，得維恩位移定律：微分普朗克公式，求極大值，得到溫度和峰值波長的關系到溫度和峰值波長的關系峰值光譜輻射度：峰值光譜輻射度：（a2898mk） （b1.286210-11wm-2k-5m-1） atm5)(bttmm152.2.2 光和物質的相互作用光和物質的相互作用u自發(fā)發(fā)射：經典電磁場理論，麥克斯韋方程，電偶極子自發(fā)發(fā)射：經典電磁場理論，麥克斯韋方程，電偶極子自發(fā)輻射自發(fā)輻射u受激發(fā)射：經典電動力學、電磁光學、半經典理論、量受激發(fā)射：經典電動力學、電磁光學、半經典理論、量子

12、電動力學、量子電磁力學子電動力學、量子電磁力學u光譜變換：非線性光學光譜變換：非線性光學u麥克斯韋方程：經典電磁場理論麥克斯韋方程：經典電磁場理論理論體系：理論體系：162.2.3 光輻射波長光輻射波長10141013101210111010109108107106105104103102101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10波長波長 / m長電磁振蕩長電磁振蕩無線電波無線電波微波微波x射線射線 射線射線宇宙射線宇宙射線千米波千米波米波米波厘米波厘米波毫米波毫米波40 m1000 m6 m3 m760nm622nm597nm577nm492n

13、m455nm380nm300nm200nm10nm遠紅外光遠紅外光中紅外光中紅外光近紅外光近紅外光紅光紅光橙光橙光黃光黃光綠光綠光藍光藍光紫光紫光近紫外光近紫外光遠紫外光遠紫外光極遠紫外光極遠紫外光極遠紅外光極遠紅外光紅外線紅外線可見光可見光紫外線紫外線172.3 2.3 光信息的描述光信息的描述1、單色波、單色波單色平面波：單色平面波：tirkirktieeeeee)(0)(000可以分解為時間相位因子和空間相位因子可以分解為時間相位因子和空間相位因子球面光波：球面光波：)cos(1krtrae)(1krtierae柱面光波：柱面光波：)cos(1krtrae)(1krtierae高斯光束：

14、高斯光束：tjfzzrrzkizwreeezwetzrearctan)(2)(000222)(),(020222)(1)(2wfzfzzrfzwzkyxr182、頻率譜、頻率譜zkteellnllcos10 deteefteti21)()( 對于非單色光，它是由多個頻率合成的光信號，針對于非單色光，它是由多個頻率合成的光信號，針對于光波頻率因子，及縱模，是時間上的頻率對于光波頻率因子，及縱模，是時間上的頻率193、空間頻率與空間頻率譜、空間頻率與空間頻率譜)11(20)(000zttirktieeeeet221fcos1rrfyxyfxfiyxyxdfdfeffeffefyxeyx)(21),

15、(),(),(在在 方向的空間頻率：方向的空間頻率： 光波強度在空間上的分布光波強度在空間上的分布202.4.1 光在各向同性介質界面上的反射和折射光在各向同性介質界面上的反射和折射u反射定律和折射定律反射定律和折射定律u反射率和投射率反射率和投射率u反射和折射的相位特性反射和折射的相位特性u反射和折射的偏振特性反射和折射的偏振特性u全反射全反射2.4 2.4 光信息的傳輸光信息的傳輸212.4.2 光在各向同性介質中的傳輸光在各向同性介質中的傳輸u介質吸收介質吸收u介質色散介質色散u介質散射介質散射u光的衍射：夫浪和費衍射、菲涅耳衍射光的衍射：夫浪和費衍射、菲涅耳衍射2.4.3 光在各向異性介質中的傳輸光在各向異性介質中的傳輸u非線性效應非線性效應u晶體的雙折射晶體的雙折射u電光效應、聲光效應、磁光效應等電光效應、聲光效應、磁光效應等22光信息技術基礎光信息技術基礎光信息的產生光信息的產生光信息的傳輸技術光信息的傳輸技術光信息的采集光信息的采集黑體輻射技術黑體輻射技術激光技術激光技術非線性光學技術非線性光學技術光學傳感器技術光學傳感器技術人眼人眼光學成像技術光學成像技術光電信號轉換技術光電信號轉換技術激光雷達技術激光雷達技術圖像信息識別技術圖像信息識別技術光纖通信技術光纖通信技術激光