信息光電子學基礎

信息光電子學基礎第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三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?！畔⒐怆娮訉W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。２、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。３、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(xiàn)代光學。2.1信息光電子學的理論體系的發(fā)展第2頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三波動光學電磁光學幾何光學量子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第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三周朝的金燧取火（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(xiàn)象的描述。1.古代光學 公元前------16世紀宏觀光學現(xiàn)象的直觀認識▲信息光電子學發(fā)展史第4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2.經典光學 17世紀------19世紀

Galilei（伽利略）望遠鏡（1610年），發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)；

Kepler（開普列）望遠鏡用于天體觀測（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）；第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三

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。

第6頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三3.近現(xiàn)代光學 1900-----量子論（1900）；

Einstein（愛因斯坦）發(fā)現(xiàn)光電效應（1905）；

deBroglie（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）；

QuantumOptics（量子光學）；

NonlinearOptics（非線性光學）；

IntegratedOptics（集成光學）；

OpticalCommunication（光通信）；

Holography（全息學）；

Photonics（光子學）；

….現(xiàn)代光學的分支和技術第7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三萌芽時期（約公元前400年—公元16世紀）成就發(fā)現(xiàn)和總結了一些實驗現(xiàn)象，如平面鏡成像、透鏡成像、凹凸面鏡成像、針孔成像的現(xiàn)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(xiàn)了干涉、衍射、偏振等光的波動現(xiàn)象，以惠更斯為代表的波動說初步提出。造出望遠鏡（H.Lippershey

，1587—1619年）、顯微鏡（Z.Janssen，1580—1656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。第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三波動光學時期（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(xiàn)象，奠定了波動光學的基礎；法拉第（M.Faraday，1791—1897年）和麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879年）等人揭示了光學現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內在聯(lián)系，赫茲（H.R.hertz，1857—1894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，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。第9頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三量子光學時期（公元19世紀末—公元20世紀上半葉）成就愛因斯坦（1879—1947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(xiàn)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

，1927—

），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(xiàn)代物理學和現(xiàn)代科學技術領域最重要的前沿之一；理論上出現(xiàn)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(xiàn)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。第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三信息光電子學光的產生光的傳播光信息獲取熱輻射理論光和物質相互作用自發(fā)輻射大氣中的光傳播晶體中的光傳播薄膜介質中的光傳播光電信號的轉換光學成像人眼受激輻射光學變換介質傳輸光學幾何光學真空中的光傳播物理光學經典電磁場理論——經典理論電磁光學、量子光學非線性光學光電子發(fā)射效應光電導效應光伏效應熱效應幾何成像衍射成像掃描成像菲涅耳環(huán)帶片成像全息成像光譜變換光信息控制光信息處理電光效應圖像增強激光技術空間濾波信息光電子學理論構架第11頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2.2光信息的產生2.2.1熱輻射理論理論體系：經典電磁場理論，電偶諧振子振蕩黑體輻射的基本定律——普朗克定律：h:普朗克常數(shù)6.6263×10-34W·S2，k:玻耳茲曼常數(shù)1.38×10-23W·s·K-1第12頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三斯忒藩－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）斯忒藩－玻耳茲曼常數(shù)：(W·m-2)(W·m-2·K-4)

單位方向的輻射量：第13頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三維恩位移定律：微分普朗克公式，求極大值，得到溫度和峰值波長的關系峰值光譜輻射度：（A＝2898m·K）

（b＝1.2862×10-11W·m-2·K-5·m-1）

第14頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2.2.2光和物質的相互作用自發(fā)發(fā)射：經典電磁場理論，麥克斯韋方程，電偶極子自發(fā)輻射受激發(fā)射：經典電動力學、電磁光學、半經典理論、量子電動力學、量子電磁力學光譜變換：非線性光學麥克斯韋方程：經典電磁場理論理論體系：第15頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3光輻射波長10141013101210111010109108107106105104103102101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10波長/m長電磁振蕩無線電波微波X射線射線宇宙射線千米波米波厘米波毫米波40m1000m6m3m760nm622nm597nm577nm492nm455nm380nm300nm200nm10nm遠紅外光中紅外光近紅外光紅光橙光黃光綠光藍光紫光近紫外光遠紫外光極遠紫外光極遠紅外光紅外線可見光紫外線第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2.3光信息的描述1、單色波單色平面波：可以分解為時間相位因子和空間相位因子球面光波：柱面光波：高斯光束：第17頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2、頻率譜對于非單色光，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，是時間上的頻率第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三3、空間頻率與空間頻率譜在方向的空間頻率：光波強度在空間上的分布第19頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2.4.1光在各向同性介質界面上的反射和折射反射定律和折射定律反射率和投射率反射和折射的相位特性反射和折射的偏振特性全反射2.4光信息的傳輸?shù)?0頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三2.4.2光在各向同性介質中的傳輸介質吸收介質色散介質散射光的衍射：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非線性效應晶體的雙折射電光效應、聲光效應、磁光效應等第21頁，共22頁，2023年，2月20日，星期三光信息技術基礎光信息的產生光信息的傳輸技術光信息