光電子技術(shù)第二章第二節(jié)演示文稿

1、光電子技術(shù)第二章第二節(jié)演示文稿第一頁(yè)，共二十九頁(yè)。優(yōu)選光電子技術(shù)第二章第二節(jié)Ppt第二頁(yè)，共二十九頁(yè)。1. 電介質(zhì)的特性2.2.2 電介質(zhì) 電極化：形成宏觀束縛電荷的現(xiàn)象。 電介質(zhì)：能產(chǎn)生電極化的物質(zhì)。介質(zhì)折射率與 的關(guān)系不同，介質(zhì)就呈現(xiàn)不同的特性。極化強(qiáng)度：(1) 線(xiàn)性特性 與 是線(xiàn)性關(guān)系(2)均勻性與 的關(guān)系與位置無(wú)關(guān)，在任何一處的極化率都是常數(shù)(3)各向同性與 的關(guān)系與矢量 的取向無(wú)關(guān)， 與 平行第三頁(yè)，共二十九頁(yè)。2 電介質(zhì)的分類(lèi)(1)簡(jiǎn)單電介質(zhì)線(xiàn)性，均勻，各向同性，非色散。(2)非均勻介質(zhì)(3)各向異性介質(zhì)(4)非線(xiàn)性介質(zhì) 只是非均勻， 與 的關(guān)系與 有關(guān)。不同 處的極化率不同，折射

2、率n不同。 與 的方向不一致。 與 的關(guān)系與 的取向有關(guān)。不同方向的極化率不同，折射率不同。這種介質(zhì)中某些方向容易極化些，另一些則較難極化。 與 的關(guān)系不只與 的一次項(xiàng)有關(guān)，也與它的高次項(xiàng)有關(guān)。第四頁(yè)，共二十九頁(yè)。2.2.3 波動(dòng)方程1. 時(shí)域波動(dòng)方程對(duì)于線(xiàn)性，均勻，各向同性的電介質(zhì)：磁場(chǎng)方程：對(duì)于非導(dǎo)電、無(wú)磁性介質(zhì)（大多數(shù)屬于該情況）：波動(dòng)方程：電場(chǎng)方程：第五頁(yè)，共二十九頁(yè)。2. 頻域波動(dòng)方程在時(shí)諧條件下：應(yīng)用：對(duì)于高頻低電導(dǎo)無(wú)源材料，得到折射率表示為： 除鐵磁性介質(zhì)外，大多數(shù)介質(zhì)的磁性都很弱，可以認(rèn)為r1。折射率也描述光在介質(zhì)中傳播的快慢， 是表征介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的一個(gè)很重要的參量。 此式稱(chēng)為

3、麥克斯韋關(guān)系。對(duì)于一般介質(zhì)，r 或n都是頻率的函數(shù)， 具體的函數(shù)關(guān)系取決于介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 第六頁(yè)，共二十九頁(yè)。 為了描述電磁能量的傳播，引入能流密度玻印亭矢量S，它定義為單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直于傳播方向上的單位面積的能量，表達(dá)式為 2.2.4 光波的能流密度 對(duì)于沿z方向傳播的平面光波，光場(chǎng)表示為： E=exE0cos(t-kz), H=hyH0cos(t-kz) 式中的ex、hy是電場(chǎng)、磁場(chǎng)振動(dòng)方向上的單位矢量。利用光波的能流密度S為 因?yàn)槠矫婀獠▓?chǎng)有：S可寫(xiě)為第七頁(yè)，共二十九頁(yè)。 平面光波的能量沿z方向以波動(dòng)形式傳播。光的頻率很高，S的大小隨時(shí)間的變化很快。光探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間較慢，例如光電二極

4、管僅為10-810-9 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上光能量的瞬時(shí)變化，只能給出S的平均值。所以，在實(shí)際應(yīng)用中都利用能流密度的時(shí)間平均值S表征光電磁場(chǎng)的能量傳播，并稱(chēng)S為光強(qiáng)，以I表示。假設(shè)光探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間為T(mén)，則： 將S表達(dá)式代入， 進(jìn)行積分，可得： 由此可見(jiàn)，光強(qiáng)與電場(chǎng)強(qiáng)度振幅的平方成正比。 通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)，便可計(jì)算出光波電場(chǎng)的振幅E0。第八頁(yè)，共二十九頁(yè)。相應(yīng)的光電場(chǎng)強(qiáng)度振幅為 這樣強(qiáng)的電場(chǎng)，能夠產(chǎn)生極高的溫度，足以將目標(biāo)燒毀。 在有些應(yīng)用場(chǎng)合，由于只考慮某一種介質(zhì)中的光強(qiáng)，只關(guān)心光強(qiáng)的相對(duì)值，因而往往省略比例系數(shù)，把光強(qiáng)寫(xiě)成： I=E2=E20 如果考慮的是不同介質(zhì)中的光強(qiáng)， 比例系數(shù)不能省略。 例如

5、，一束105 W的激光，用透鏡聚焦到110-10 m2的面積上，則在透鏡焦平面上的光強(qiáng)（功率密度）約為 第九頁(yè)，共二十九頁(yè)。 根據(jù)光場(chǎng)解的形式的不同，光波可分類(lèi)為平面光波， 球面光波，柱面光波或高斯光束。 2.3 光波的表示光波的電磁表示 首先說(shuō)明，光波中包含有電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量，從波的傳播特性來(lái)看，它們處于同樣的地位，但是從光與介質(zhì)的相互作用來(lái)看，其作用不同。在通常應(yīng)用的情況下，磁場(chǎng)的作用遠(yuǎn)比電場(chǎng)弱，甚至不起作用。實(shí)驗(yàn)證明，使照相底片感光的是電場(chǎng)，不是磁場(chǎng)；對(duì)人眼視網(wǎng)膜起作用的也是電場(chǎng)，不是磁場(chǎng)。 因此，通常把光波中的電場(chǎng)矢量E稱(chēng)為光矢量，把電場(chǎng)E的振動(dòng)稱(chēng)為光振動(dòng)，在討論光的波動(dòng)特性時(shí)，只考

6、慮電場(chǎng)矢量E即可。 第十頁(yè)，共二十九頁(yè)。 (1) 單色平面光波的三角函數(shù)表示 可以采取不同的具體函數(shù)表示。最簡(jiǎn)單、最普遍采用的是三角函數(shù)形式，即 E=Acos(t-kz)+Bsin(t+kz)若只計(jì)沿+z方向傳播的平面光波，其電場(chǎng)表示式為 1. 平面光波或者：第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)。 為便于運(yùn)算，經(jīng)常把平面簡(jiǎn)諧光波的波函數(shù)寫(xiě)成復(fù)數(shù)形式。例如 采用這種形式，可以用簡(jiǎn)單的指數(shù)運(yùn)算代替比較繁雜的三角函數(shù)運(yùn)算。要確定光強(qiáng)，只需將復(fù)數(shù)形式的場(chǎng)乘以它的共軛復(fù)數(shù)即可： (2) 單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 任意描述真實(shí)存在的物理量的參量都應(yīng)當(dāng)是實(shí)數(shù)，采用復(fù)數(shù)形式只是數(shù)學(xué)上運(yùn)算方便的需要。 對(duì)復(fù)數(shù)形式的量進(jìn)行線(xiàn)性運(yùn)算

7、，只有取實(shí)部后才有物理意義。此外， 由于對(duì)復(fù)數(shù)函數(shù)exp-i(t-kz)與expi(t-kz)兩種形式取實(shí)部得到相同的函數(shù)，因而對(duì)于平面簡(jiǎn)諧光波，采用exp-i(t-kz)和expi(t-kz)兩種形式完全等效。因此，可以采取其中任意一種形式。 第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)。 一個(gè)各向同性的點(diǎn)光源，它向外發(fā)射的光波是球面光波， 等相位面是以點(diǎn)光源為中心、隨著距離的增大而逐漸擴(kuò)展的同心球面。 由于球面光波的球?qū)ΨQ(chēng)性，其波動(dòng)方程僅與r有關(guān)，與坐標(biāo)、無(wú)關(guān)，因而球面光波的振幅只隨距離r變化。若忽略場(chǎng)的矢量性，可將波動(dòng)方程表示為：2. 球面光波球面光波示意圖 如果觀察點(diǎn)遠(yuǎn)離光源，且在小范圍內(nèi)，球面波可視為平面波

8、。第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)。 一個(gè)各向同性的無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)光源，向外發(fā)射的波是柱面光波， 其等相位面是以線(xiàn)光源為中心軸、隨著距離的增大而逐漸擴(kuò)展的同軸圓柱面， 如圖所示。 3. 柱面光波柱面光波示意圖 當(dāng) r 較大(遠(yuǎn)大于波長(zhǎng))時(shí)， 其單色柱面光波場(chǎng)解的表示式為 可以看出，柱面光波的振幅與 成反比。式中的A是離開(kāi)線(xiàn)光源單位距離處光波的振幅值。 第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)。2.3.2 高斯光束 高斯光束是一種非均勻波，在許多方面類(lèi)似于平面波。但是它的強(qiáng)度分布不均勻，主要集中在傳播軸附近。它的等相面是彎曲的，等相面上的光場(chǎng)振幅分布是非均勻的高斯分布。大部分激光器輸出是高斯光束。高斯光束的特點(diǎn)(旁軸情況下)：(1)

9、一種非均勻高斯球面波(2)傳播過(guò)程中曲率中心不斷改變(3)振幅分布在橫截面內(nèi)為高斯分布(4)強(qiáng)度集中在軸線(xiàn)及其附近(5)等相面保持球面1. 特點(diǎn)及表達(dá)式表達(dá)式第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)。式中，E0為常數(shù)，其余符號(hào)的意義為： 由激光器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)所決定，已知 ，就可以求出所有其它參數(shù)。這里，w0為基模高斯光束的束腰半徑； 為高斯光束的共焦參數(shù)或瑞利長(zhǎng)度；R(z) 為與傳播軸線(xiàn)相交于z點(diǎn)的高斯光束等相位面的曲率半徑； w(z)為與傳播軸線(xiàn)相交于z點(diǎn)的高斯光束等相位面上的光斑半徑。第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)。圖 2-28 高斯光束的擴(kuò)展 第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)。2. 基模高斯光束基本特征：光強(qiáng)與光功率 任何位置的

10、光強(qiáng)都是徑向距離的高斯函數(shù)，在軸上光強(qiáng)最大，隨著離軸距離的增加，光強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律下降。 在 處，光強(qiáng)下降到軸上的 。軸上的光強(qiáng)隨著z的增加而減小，即第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)。（2）光束半徑與發(fā)散角：光束半徑：由中心振幅值下降到1/e點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的寬度，定義為光斑半徑 ： 可見(jiàn)，基模高斯光束的光斑半徑隨著坐標(biāo)z按雙曲線(xiàn)的規(guī)律擴(kuò)展，光斑半徑最小處稱(chēng)為光腰。 第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)。光束半徑 發(fā)散角：基模高斯光束既非平面波，又非均勻球面波，它的發(fā)散度采用遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角表征。遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角定義為z 時(shí)，強(qiáng)度為中心的1/e2點(diǎn)所夾角的全寬度， 即 發(fā)散角第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)。（3） 基模高斯光束場(chǎng)的相位與波前半徑 高斯光束

11、的等相位面近似為以R(z)為半徑的球面，R(z)隨z的變化規(guī)律為 當(dāng)z=0時(shí)，R(z)，表明束腰所在處的等相位面為平面； 當(dāng)z時(shí)，|R(z)|z，表明離束腰無(wú)限遠(yuǎn)處的等相位面亦為平面； 顯然，高斯光束的發(fā)散角由束腰半徑w0決定。采用透鏡對(duì)光束聚焦，可以得到較小的光斑，但發(fā)散角相應(yīng)增大。 綜上所述，基模高斯光束在其傳播軸線(xiàn)附近可以看作是一種非均勻的球面波，其等相位面是曲率中心不斷變化的球面， 振幅和強(qiáng)度在橫截面內(nèi)保持高斯分布。 第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)。單色光波：頻率為的單色平面光波 復(fù)色光波：指某光波由若干單色光波組合而成，或者說(shuō)它包含有多種頻率成分，它在時(shí)間上是有限的波列。復(fù)色波的電場(chǎng)是所含各

12、個(gè)單色光波電場(chǎng)的疊加，即 2.4 復(fù)色光波的時(shí)域頻率譜 傳播速度2.4.1 復(fù)色光波的頻率譜1. 復(fù)色光波的表示2.復(fù)色光波的頻率譜光波場(chǎng)在時(shí)間域內(nèi)的變化E(t)可以表示為如下形式： 嚴(yán)格的單色光波不存在，所能得到的各種光波均為復(fù)色波。第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)。 可將exp(-i2t)視為頻率為的單位振幅簡(jiǎn)諧振蕩。這樣，上式可理解為：一個(gè)隨時(shí)間變化的光波場(chǎng)振動(dòng)E(t)，可以視為許多單頻成分簡(jiǎn)諧振蕩的疊加。 一般情況下E()為復(fù)數(shù)，它就是頻率分量的復(fù)振幅，可表示為 |E()|為光場(chǎng)振幅的大?。籮 ()為相位角。因而，|E()|2表征了頻率分量的功率，稱(chēng)|E()|2為光波場(chǎng)的功率譜。 各成分相應(yīng)的振

13、幅E()稱(chēng)為E(t)的頻譜分布，或簡(jiǎn)稱(chēng)頻譜，并且按下式計(jì)算： 第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)。(1) 無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間的等幅振蕩 其表達(dá)式為 式中，E0、0為常數(shù)，且E0可以取復(fù)數(shù)值。它的頻譜為 該式表明，等幅振蕩光場(chǎng)對(duì)應(yīng)的頻譜只含有一個(gè)頻率成分0， 稱(chēng)其為理想單色振動(dòng)。其功率譜為|E()|2，如圖所示。 等幅振蕩及其頻譜圖 第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)。(2) 持續(xù)有限時(shí)間的等幅振蕩功率譜： 光場(chǎng)頻譜的主要部分集中在從1到2的頻率范圍之內(nèi)，0是振蕩的表觀頻率， 或稱(chēng)為中心頻率。 定義最靠近0的兩個(gè)強(qiáng)度為零的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率2和1之差的一半為這個(gè)有限正弦波的頻譜寬度 振蕩持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，頻譜寬度愈窄。 圖 有限正弦

14、波及其頻譜圖 第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)。(3) 衰減振蕩相應(yīng)的E()為 功率譜為 衰減振蕩也可視為無(wú)限多個(gè)振幅不同、頻率連續(xù)變化的簡(jiǎn)諧振蕩的疊加，0為其中心頻率。這時(shí)，把最大強(qiáng)度一半所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率2和2之差，定義為這個(gè)衰減振蕩的頻譜寬度。 第二十六頁(yè)，共二十九頁(yè)。圖 衰減振蕩及其頻譜圖強(qiáng)調(diào)指出，在上面的有限正弦振蕩和衰減振蕩中，盡管表達(dá)式中含有exp(-i20t)的因子，但E(t)已不再是單頻振蕩了。換言之，我們只能說(shuō)這種振蕩的表觀頻率為0，而不能簡(jiǎn)單地說(shuō)振蕩頻率為0 。只有以某一頻率作無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間的等幅振蕩，才可以說(shuō)是嚴(yán)格的單色光。 第二十七頁(yè)，共二十九頁(yè)。 實(shí)際上能夠得到的只是接近于單色光。持續(xù)有限時(shí)間的等幅振蕩，如果其振蕩持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，以致于1/T0，可認(rèn)為接近于單色光。 在光電子技術(shù)應(yīng)用中，經(jīng)常運(yùn)用的調(diào)制光波均可認(rèn)為是準(zhǔn)單色光(