物理學(xué)現(xiàn)代光學(xué)簡(jiǎn)介

1、15-1 全息照相全息照相1948年全息照相術(shù)誕生。年全息照相術(shù)誕生。全息照相的優(yōu)點(diǎn)：可以再現(xiàn)物體的立體形象。全息照相的優(yōu)點(diǎn)：可以再現(xiàn)物體的立體形象。普通照相普通照相全息照相全息照相只記錄物體所發(fā)只記錄物體所發(fā)光波的振幅光波的振幅以干涉、衍射為基礎(chǔ)的以干涉、衍射為基礎(chǔ)的無(wú)透鏡攝影，記錄物體無(wú)透鏡攝影，記錄物體所發(fā)光波的振幅和位相所發(fā)光波的振幅和位相（全全部光信部光信息息）全息底片沒(méi)有物體的影像，而是記錄了物體所發(fā)全息底片沒(méi)有物體的影像，而是記錄了物體所發(fā)光波的全部信息的干涉條紋。光波的全部信息的干涉條紋。一、全息照片的拍攝和再現(xiàn)一、全息照片的拍攝和再現(xiàn)記錄物體上各點(diǎn)發(fā)出的光波的頻率、振幅、位相

2、記錄物體上各點(diǎn)發(fā)出的光波的頻率、振幅、位相物光和參考光在物光和參考光在感光膠片處相干感光膠片處相干疊加、感光。疊加、感光。1、全息記錄、全息記錄激光器激光器反射鏡反射鏡分光鏡分光鏡反射鏡反射鏡感光膠片感光膠片參參考考光光物光物光振幅不同使條紋變黑程度不同，振幅不同使條紋變黑程度不同，相位不同則使條紋的密度、形狀各異。相位不同則使條紋的密度、形狀各異。相位的記錄（參考光為平面波）相位的記錄（參考光為平面波）設(shè)設(shè)a、b為某相鄰的兩條暗紋為某相鄰的兩條暗紋參考光在參考光在a、b兩處相位相同兩處相位相同物光在物光在a、b兩處光程差為兩處光程差為 參考光參考光rba物光物光 ddxOx D dxsin

3、xrsindx 在在底片同一處底片同一處，來(lái)自，來(lái)自物體上不同發(fā)光點(diǎn)物體上不同發(fā)光點(diǎn)的點(diǎn)，由于它的點(diǎn)，由于它們的們的 或或r不相同不相同，與參考光形成的，與參考光形成的干涉條紋間距不同干涉條紋間距不同。底片上的干涉條紋間距及條紋走向反映了物體上各底片上的干涉條紋間距及條紋走向反映了物體上各發(fā)光點(diǎn)的位置差別。發(fā)光點(diǎn)的位置差別。2、全息圖像的觀察、全息圖像的觀察用拍攝照片時(shí)所用的同一波長(zhǎng)的照明光沿原參考方用拍攝照片時(shí)所用的同一波長(zhǎng)的照明光沿原參考方向照射底片，在照片背面向照片看就可看到物體。向照射底片，在照片背面向照片看就可看到物體。底片上各處透射率不同（相當(dāng)于衍射屏），照明光底片上各處透射率不同

4、（相當(dāng)于衍射屏），照明光透射后發(fā)生衍射，衍射光波再現(xiàn)物光波。透射后發(fā)生衍射，衍射光波再現(xiàn)物光波。照明光照明光rba dO1位位置置人人眼眼 二、全息技術(shù)的應(yīng)用二、全息技術(shù)的應(yīng)用1、全息顯微鏡、全息顯微鏡2、全息信息儲(chǔ)存、全息信息儲(chǔ)存3、全息干涉計(jì)量、全息干涉計(jì)量拍攝全息照片，改變參考光束方向，可將不同物體拍攝全息照片，改變參考光束方向，可將不同物體攝在同一張底片上。攝在同一張底片上。用短脈沖激光在一張底片上記錄粒子的運(yùn)動(dòng)。用短脈沖激光在一張底片上記錄粒子的運(yùn)動(dòng)。再現(xiàn)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及瞬時(shí)分布。再現(xiàn)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及瞬時(shí)分布。再現(xiàn)時(shí)偏轉(zhuǎn)照明光束，物體將互不干擾地顯現(xiàn)。再現(xiàn)時(shí)偏轉(zhuǎn)照明光束，物體將互不干

5、擾地顯現(xiàn)。兩次曝光或連續(xù)曝光，可記錄物體的微小、高速運(yùn)動(dòng)。兩次曝光或連續(xù)曝光，可記錄物體的微小、高速運(yùn)動(dòng)。再現(xiàn)時(shí)得到多個(gè)相互交疊而略有差異的物體光波的像。再現(xiàn)時(shí)得到多個(gè)相互交疊而略有差異的物體光波的像。15-2 非線性光學(xué)簡(jiǎn)介非線性光學(xué)簡(jiǎn)介一、非線性光學(xué)現(xiàn)象一、非線性光學(xué)現(xiàn)象線性光學(xué)線性光學(xué)光與介質(zhì)相互作用，入射光的電場(chǎng)強(qiáng)度比介質(zhì)光與介質(zhì)相互作用，入射光的電場(chǎng)強(qiáng)度比介質(zhì)中原子內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)小得多。中原子內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)小得多。EEP 0非線性光學(xué)非線性光學(xué)強(qiáng)光入射介質(zhì)時(shí)強(qiáng)光入射介質(zhì)時(shí)32EEEP tcosEtcosEE 2212120020二、倍頻和混頻二、倍頻和混頻當(dāng)激光與非線性介質(zhì)作用，入射光通過(guò)介質(zhì)后

6、，當(dāng)激光與非線性介質(zhì)作用，入射光通過(guò)介質(zhì)后，其其輸出頻率較入射頻率有所變化輸出頻率較入射頻率有所變化，會(huì)出現(xiàn)倍頻光、，會(huì)出現(xiàn)倍頻光、和頻光與差頻光。和頻光與差頻光。入射單色強(qiáng)光電場(chǎng)強(qiáng)度入射單色強(qiáng)光電場(chǎng)強(qiáng)度tcosEE 0tcosEtcosEEEP 22002)tcos(EtcosE 212200恒定電場(chǎng)恒定電場(chǎng)基頻成分基頻成分倍頻成分倍頻成分21212010t )cos(t )cos(EE 入射兩種不同頻率的強(qiáng)光入射兩種不同頻率的強(qiáng)光tcosEE1101 )tcosEtcosE(P220110 )tcos(E)tcos(E2220121021212121 和頻成分和頻成分差頻成分差頻成分tco

7、sEE2202 21EEE介質(zhì)除輻射直流、基頻和倍頻成分，還將輻射介質(zhì)除輻射直流、基頻和倍頻成分，還將輻射頻率為和頻與差頻的光波，稱(chēng)為頻率為和頻與差頻的光波，稱(chēng)為光學(xué)混頻光學(xué)混頻。三、受激喇曼散射三、受激喇曼散射當(dāng)光束在透明介質(zhì)中傳播時(shí)，如果介質(zhì)的光學(xué)性當(dāng)光束在透明介質(zhì)中傳播時(shí)，如果介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)不均勻，就會(huì)出現(xiàn)部分光束偏離原來(lái)傳播方向質(zhì)不均勻，就會(huì)出現(xiàn)部分光束偏離原來(lái)傳播方向的現(xiàn)象，就叫的現(xiàn)象，就叫光的散射光的散射。彈性散射彈性散射光與物質(zhì)分子碰撞是彈性的，無(wú)能量交換。光與物質(zhì)分子碰撞是彈性的，無(wú)能量交換。入射光與散射光頻率相同，入射光與散射光頻率相同，散射光強(qiáng)度與頻率四次方成正比。散射光強(qiáng)

8、度與頻率四次方成正比。非彈性散射非彈性散射散射光頻率與入射光頻率不相同。散射光頻率與入射光頻率不相同。成成分分和和成成分分，還還有有有有原原頻頻率率)()( 000射射光光頻頻率率無(wú)無(wú)關(guān)關(guān)。與與物物質(zhì)質(zhì)性性質(zhì)質(zhì)有有關(guān)關(guān)，與與入入 四、光束自聚焦效應(yīng)四、光束自聚焦效應(yīng)在強(qiáng)光作用下，介質(zhì)的折射率不再是常數(shù)，在強(qiáng)光作用下，介質(zhì)的折射率不再是常數(shù)，會(huì)隨入射光強(qiáng)度增大而變大。會(huì)隨入射光強(qiáng)度增大而變大。激光束在截面上強(qiáng)度分布不均勻，呈激光束在截面上強(qiáng)度分布不均勻，呈高斯分布高斯分布。非非線線性性介介質(zhì)質(zhì)自聚焦現(xiàn)象自聚焦現(xiàn)象入射激光入射激光波面波面光強(qiáng)高斯光強(qiáng)高斯分布分布15-3 光纖通信光纖通信通信是指將

9、信息從一處傳到另一處。通信是指將信息從一處傳到另一處。無(wú)線電通信無(wú)線電通信的載體是無(wú)線電波。的載體是無(wú)線電波。Hz1081010無(wú)無(wú)線線電電載載波波頻頻率率為為光纖通信（或激光通信）光纖通信（或激光通信）是將聲音、圖像或其它是將聲音、圖像或其它 信息調(diào)制到激光載波上發(fā)送出去。信息調(diào)制到激光載波上發(fā)送出去。Hz15131010載載波波頻頻率率為為激光通信分為：激光通信分為：地面大氣通信、宇宙空間通信、光纖（纜）通信地面大氣通信、宇宙空間通信、光纖（纜）通信一、光導(dǎo)纖維一、光導(dǎo)纖維用石英、玻璃或特制塑料拉成的柔軟細(xì)絲，用石英、玻璃或特制塑料拉成的柔軟細(xì)絲，直徑在幾微米到直徑在幾微米到120微米左右

10、。微米左右。1、光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理、光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理由由玻璃纖芯玻璃纖芯、包層包層和和護(hù)套護(hù)套組成組成纖芯纖芯包層包層玻璃纖維玻璃纖維涂層涂層尼龍外層尼龍外層1mm100200 m光纖導(dǎo)光利用全反射定理。光纖導(dǎo)光利用全反射定理。0n2n1n 0 12纖芯折射率為纖芯折射率為n1包層折射率為包層折射率為n2n1n20n2n1n 0 12光光纖纖端端面面入入射射角角0 包包層層界界面面入入射射角角 （全全反反射射臨臨界界角角）c （端端面面臨臨界界入入射射角角）a 0光線將在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反光線將在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播。射而向前傳播。2、光纖的分類(lèi)、光

11、纖的分類(lèi)光纖的折射率用光纖折射率剖面光纖的折射率用光纖折射率剖面n (r)表征表征引入纖芯、包層相對(duì)折射率差引入纖芯、包層相對(duì)折射率差1212122212nnnnnn 普通光纖有兩種：普通光纖有兩種：階躍型光纖階躍型光纖 纖芯與包層間折射率的變化是纖芯與包層間折射率的變化是階梯狀階梯狀的。的。)r(n1n2nr)r(n1n2nr梯度型光纖梯度型光纖纖芯與包層間折射率的變化是纖芯與包層間折射率的變化是漸變漸變的。的。光纖中的射線光纖中的射線光纖中的射線光纖中的射線3、光纖的數(shù)值孔徑（、光纖的數(shù)值孔徑（N.A.）反映了光纖集光本領(lǐng)，數(shù)值孔徑越大，集光本領(lǐng)越強(qiáng)。反映了光纖集光本領(lǐng)，數(shù)值孔徑越大，集光

12、本領(lǐng)越強(qiáng)。2221nnsina 0n2n1nc a a 2r 光光纖纖的的孔孔徑徑角角a 2.A.Nnsina 2112nnsinc rasinnn 10crcosnsinn 11ccsincos 212122212nnn 4、光纖的傳輸特性、光纖的傳輸特性（1）光纖的損耗特性）光纖的損耗特性指光纖每單位長(zhǎng)度的衰減，指光纖每單位長(zhǎng)度的衰減，單位為分貝單位為分貝/公里公里(dB/km)。吸收損耗吸收損耗物質(zhì)本征吸收物質(zhì)本征吸收：物質(zhì)固有的吸收。：物質(zhì)固有的吸收。有近紅外的有近紅外的812 m區(qū)域和紫外波段兩個(gè)吸收頻帶。區(qū)域和紫外波段兩個(gè)吸收頻帶。光纖低損耗光纖低損耗“窗口窗口”為：為： 0.65

13、0.73 m，0.750.85 m ，1.11.6 m。雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 原子缺陷吸收原子缺陷吸收散射損耗散射損耗物質(zhì)的本征散射物質(zhì)的本征散射：玻璃在加熱過(guò)程中使物質(zhì)密：玻璃在加熱過(guò)程中使物質(zhì)密度不均勻，進(jìn)而折射率不均勻，在冷卻過(guò)程中度不均勻，進(jìn)而折射率不均勻，在冷卻過(guò)程中被固定，折射率不均勻性將引起光的散射。被固定，折射率不均勻性將引起光的散射。非線性效應(yīng)引起的散射非線性效應(yīng)引起的散射：物質(zhì)在強(qiáng)大的電場(chǎng)作：物質(zhì)在強(qiáng)大的電場(chǎng)作用下呈現(xiàn)非線性性，引起光的散射。用下呈現(xiàn)非線性性，引起光的散射。（2）光纖的色散特性與光孤子通信）光纖的色散特性與光孤子通信光的色散特性光的色散特性：使光脈沖信號(hào)通過(guò)光纖

14、時(shí)，：使光脈沖信號(hào)通過(guò)光纖時(shí)，在輸出端光脈沖的響應(yīng)會(huì)被拉長(zhǎng)，出現(xiàn)脈沖在輸出端光脈沖的響應(yīng)會(huì)被拉長(zhǎng)，出現(xiàn)脈沖失真。失真。光孤子通信光孤子通信：在單模光纖中，光強(qiáng)增加到一：在單模光纖中，光強(qiáng)增加到一定程度時(shí)，將出現(xiàn)非線性效應(yīng)，可與光纖中定程度時(shí)，將出現(xiàn)非線性效應(yīng)，可與光纖中的色散相互補(bǔ)償，從而得到無(wú)畸變的光脈沖的色散相互補(bǔ)償，從而得到無(wú)畸變的光脈沖傳輸。傳輸。二、光纖通信的工作原理二、光纖通信的工作原理直接檢波系統(tǒng)直接檢波系統(tǒng)：在發(fā)送端直接把信號(hào)調(diào)制到光波：在發(fā)送端直接把信號(hào)調(diào)制到光波上，而在接受端用光電檢波管直接把調(diào)制光波檢上，而在接受端用光電檢波管直接把調(diào)制光波檢波為原信號(hào)的系統(tǒng)。波為原信號(hào)的系統(tǒng)。電端機(jī)電端機(jī)(發(fā)送發(fā)送)光端機(jī)光端機(jī)(發(fā)送發(fā)送)電端機(jī)電端機(jī)(接收接收)光端機(jī)光端機(jī)(接收接收)LD管管PIN管管