第二章-光纖傳感器測(cè)量的理論基礎(chǔ)1

第二章-光纖傳感器測(cè)量的理論基礎(chǔ)1第一頁(yè)，共50頁(yè)。本章內(nèi)容2理論基礎(chǔ)2.2光的電磁特性2.3光的量子特性2.4光的干涉2.1光的本質(zhì)2.5光源非理想對(duì)干涉的影響2.6光程2.7光的衍射第二頁(yè)，共50頁(yè)。本章內(nèi)容2理論基礎(chǔ)2.2光的電磁特性2.3光的量子特性2.4光的干涉2.1光的本質(zhì)2.5光源非理想對(duì)干涉的影響2.6光程2.7光的衍射第三頁(yè)，共50頁(yè)?；莘圃?.1光的本質(zhì)光的經(jīng)典本質(zhì)是光頻電磁波光的量子本質(zhì)是光子流波粒二象性第四頁(yè)，共50頁(yè)。本章內(nèi)容2理論基礎(chǔ)2.2光的電磁特性2.3光的量子特性2.4光的干涉2.1光的本質(zhì)2.5光源非理想對(duì)干涉的影響2.6光程2.7光的衍射第五頁(yè)，共50頁(yè)。惠菲原理2.2光的電磁理論

1864年，麥克斯韋在經(jīng)典電磁理論基礎(chǔ)上，把光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，指出光是一種電磁波，即光頻范圍內(nèi)的電磁波。第六頁(yè)，共50頁(yè)。光波光矢量光振幅光波是電磁波同一媒質(zhì)中的相對(duì)光強(qiáng)2.2光的電磁理論第七頁(yè)，共50頁(yè)。惠菲原理2.2光的電磁理論

電磁波電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率

，關(guān)系式為：當(dāng)電磁波在真空中傳播時(shí)，速度為c在真空中，=8.8542×10-12C2/N·m2,=4π×10-7N·s2/C2,得光是光頻電磁波第八頁(yè)，共50頁(yè)?；莘圃?.2光的電磁理論

電磁波真空中，光波波長(zhǎng)，光頻率f和光速c的關(guān)系為光的頻率不變，波長(zhǎng)變短在折射率為n的介質(zhì)中，第九頁(yè)，共50頁(yè)。本章內(nèi)容2理論基礎(chǔ)2.2光的電磁特性2.3光的量子特性2.4光的干涉2.1光的本質(zhì)2.5光源非理想對(duì)干涉的影響2.6光程2.7光的衍射第十頁(yè)，共50頁(yè)。惠菲原理2.3光的量子特性

光具有波粒二象性光不僅是一種電磁波，而且是一種粒子，是由光量子（光子）組成，是以速度c運(yùn)動(dòng)的光子流。粒子屬性:能量、動(dòng)量和質(zhì)量波動(dòng)屬性:頻率、波長(zhǎng)和偏振第十一頁(yè)，共50頁(yè)?；莘圃?.3光的量子特性

光子的能量E式中，h為普朗克常數(shù)，

為光頻。光的頻率越高，能量越大。光子的質(zhì)量m從而得光子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為不同頻率的光子質(zhì)量不同，頻率越高，質(zhì)量越大。第十二頁(yè)，共50頁(yè)?；莘圃?.3光的量子特性

光子的動(dòng)量p光的頻率越高，動(dòng)量越大。光子的偏振態(tài)光子具有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)，對(duì)應(yīng)于光波場(chǎng)振幅矢量的兩個(gè)獨(dú)立偏振方向。第十三頁(yè)，共50頁(yè)。本章內(nèi)容2理論基礎(chǔ)2.2光的電磁特性2.3光的量子特性2.4光的干涉2.1光的本質(zhì)2.5光源非理想對(duì)干涉的影響2.6光程2.7光的衍射第十四頁(yè)，共50頁(yè)?；莘圃?.4光的干涉

光的疊加原理多個(gè)光波在空間一點(diǎn)相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生波的疊加，相遇點(diǎn)處的合振動(dòng)是各個(gè)波單獨(dú)產(chǎn)生的振動(dòng)的矢量和。即各個(gè)波獨(dú)立地產(chǎn)生作用，不會(huì)因?yàn)槠渌ǖ拇嬖诙艿接绊?，保持自身原有的波?dòng)特性。光波傳播的獨(dú)立性

光的干涉

光波在空間某點(diǎn)相遇疊加后，合光強(qiáng)發(fā)生了強(qiáng)度重新分布，出現(xiàn)了亮暗相間的條紋，這種現(xiàn)象稱為光波的干涉。第十五頁(yè)，共50頁(yè)。光干涉的必要條件頻率相同振動(dòng)方向相同相位差恒定能產(chǎn)生干涉條件的光稱為相干光光干涉的必要條件2.4光的干涉第十六頁(yè)，共50頁(yè)。相干光來(lái)自的光為相干光(滿足光干涉條件)來(lái)自的光為非相干光(不滿足光干涉條件)無(wú)干涉現(xiàn)象有干涉現(xiàn)象相干光與非相干光第十七頁(yè)，共50頁(yè)?；莘圃?.4光的干涉普通獨(dú)立光源產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的方法(1)分波面法“一分為二”法(2)分振幅法第十八頁(yè)，共50頁(yè)。分波面與分振幅分振幅法薄膜單色點(diǎn)光源分波面法獲得相干光的兩類典型方法第十九頁(yè)，共50頁(yè)。惠菲原理2.4光的干涉楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)楊(T.Young)在1801年首先發(fā)現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象，并首次測(cè)量了光波的波長(zhǎng)。楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)——第一個(gè)判定光性質(zhì)的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)第二十頁(yè)，共50頁(yè)。線光源分波振面法獲得相干光楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)2.4光的干涉第二十一頁(yè)，共50頁(yè)。k=2101光束楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）當(dāng)平行光垂直照射雙縫時(shí)，屏幕中央為明紋，向兩側(cè)分布明暗相間的條紋；（2）單色光條紋間距x。（3）對(duì)于復(fù)色光，明條紋有色散，內(nèi)側(cè)紫，外側(cè)紅；2.4光的干涉第二十二頁(yè)，共50頁(yè)。r1r2xdxD0單色光入射d>>，D>>d（d

10-4m，D1m）波程差：相位差：P·楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)原理分析2.4光的干涉第二十三頁(yè)，共50頁(yè)。明紋：

暗紋：

條紋間距：x0xIxr1r2xdxD0P·第二十四頁(yè)，共50頁(yè)。k=0,1,2,3...x零級(jí)明紋k=0一級(jí)明紋一級(jí)暗紋一級(jí)暗紋第二十五頁(yè)，共50頁(yè)。楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)條紋特點(diǎn)k=0為中央明紋;(1)一系列平行的明暗相間的條紋；

(3)中間級(jí)次低；(6)單縫沿x方向移動(dòng),條紋間距不變而整體移動(dòng).(4)(2)

不太大時(shí)條紋等間距；(5)雙縫間距變小,條紋間距變大;白光入射應(yīng)為彩色條紋;2.4光的干涉第二十六頁(yè)，共50頁(yè)。所以I1=I2

=I0

則光強(qiáng)曲線I02-24-4k012-1-24I0x0x1x2x

-2x-1sin0/d-/d-2/d2/d由波的干涉知楊氏實(shí)驗(yàn)中E10=E20當(dāng)δ=dsinθ=±kλ時(shí),I=4I0;楊氏實(shí)驗(yàn)的光強(qiáng)分布2.4光的干涉第二十七頁(yè)，共50頁(yè)。白光入射的楊氏雙縫干涉照片紅光入射的楊氏雙縫干涉照片2.4光的干涉第二十八頁(yè)，共50頁(yè)。I02-24-44I1襯比度差(V<1)襯比度好(V=1)振幅比，決定襯比度的因素：光源的寬度光源的單色性，IImaxImin02-24-4干涉條紋可反映光的全部信息（強(qiáng)度，相位）條紋襯比度（對(duì)比度，反襯度，contrast）

2.4光的干涉第二十九頁(yè)，共50頁(yè)。衍射圖樣例:用白光作光源觀察雙縫干涉。設(shè)縫間距為d，試求能觀察到的清晰可見(jiàn)光譜的級(jí)次。760400630600570500450430真空中波長(zhǎng)(nm)頻率(10Hz)7.503.955.004.765.266.006.676.98可見(jiàn)光波段第三十頁(yè)，共50頁(yè)。解:白光波長(zhǎng)在390～750nm范圍。明紋條件為dsinθ＝土kλ在θ＝0處，各種波長(zhǎng)的光波程差均為零；所以各種波長(zhǎng)的零級(jí)條紋在屏x=0處重疊，形成中央白色明紋。各種波長(zhǎng)的同一級(jí)次的明紋，由于波長(zhǎng)不同而角位置不同，因而彼此錯(cuò)開，并產(chǎn)生不同級(jí)次的條紋的重疊。在重疊的區(qū)域內(nèi)，靠近中央明紋的兩側(cè)，觀察到的是由各種色光形成的彩色條紋，再遠(yuǎn)處則各色光重疊的結(jié)果形成一片白色，看不到條紋。最先發(fā)生重疊的是某一級(jí)次的紅光和高一級(jí)次的紫光。第三十一頁(yè)，共50頁(yè)。最先發(fā)生重疊的是某一級(jí)次的紅光和高一級(jí)次的紫光。故，從紫到紅排列清晰可見(jiàn)光譜只有正負(fù)各一級(jí)。因k取整，所以k=1.第三十二頁(yè)，共50頁(yè)。本章內(nèi)容2理論基礎(chǔ)2.2光的電磁特性2.3光的量子特性2.4光的干涉2.1光的本質(zhì)2.5光源非理想對(duì)干涉的影響2.6光程2.7光的衍射第三十三頁(yè)，共50頁(yè)。一、光的非單色性1、理想的單色光2、實(shí)際光束：波列準(zhǔn)單色光

波列長(zhǎng)L=c00II0:譜線寬度準(zhǔn)單色光：在某個(gè)中心波長(zhǎng)（頻率）附近有一定波長(zhǎng)（頻率）范圍的光。2.5.1光的非單色性對(duì)干涉的影響第三十四頁(yè)，共50頁(yè)。二、非單色性對(duì)干涉條紋的影響設(shè)能產(chǎn)生干涉的最大級(jí)次為kM，又則有-(/2)合成光強(qiáng)x1234560123450I0II0+(/2)第三十五頁(yè)，共50頁(yè)。三、相干長(zhǎng)度與相干時(shí)間1、相干長(zhǎng)度（coherentlength）

兩列波能發(fā)生干涉的最大波程差叫相干長(zhǎng)度。：中心波長(zhǎng)SS1S2c1c2b1b2a1a2·PS1S2Sc1c2b1b2a1a2P·才能發(fā)生干涉。波列長(zhǎng)度就是相干長(zhǎng)度：相干長(zhǎng)度能干涉不能干涉只有同一波列分成的兩部分，經(jīng)過(guò)不同的路程再相遇時(shí)，第三十六頁(yè)，共50頁(yè)。普通單色光：激光：（實(shí)際上，一般為10-1101m）（理想情況）第三十七頁(yè)，共50頁(yè)。光通過(guò)相干長(zhǎng)度所需時(shí)間叫相干時(shí)間。2、相干時(shí)間（coherentlength）的長(zhǎng)短來(lái)衡量的。光的單色性好，相干時(shí)間時(shí)間相干性也就好。時(shí)間相干性的好壞，就是用相干長(zhǎng)度δM（波列長(zhǎng)度）或相干時(shí)間（波列延續(xù)時(shí)間）相干長(zhǎng)度和相干時(shí)間就長(zhǎng)，第三十八頁(yè)，共50頁(yè)?！?.4空間相干性（spatialcoherence）一、空間相干性的概念光源寬度對(duì)干涉條紋襯比度的影響S1d/2S2RD光源寬度為bb/2LMN0M0N0LI非相干疊加+1L1NxI合成光強(qiáng)Ix合成光強(qiáng)b增大第三十九頁(yè)，共50頁(yè)。xI合成光強(qiáng)0Nx+1L0M0L-1NS1d/2S2RD光源寬度為b0b0/2LMN0M0N0LI非相干疊加+1L1N二、極限寬度當(dāng)光源寬度b增大到某個(gè)寬度b0時(shí)，紋剛好消失：干涉條第四十頁(yè)，共50頁(yè)。D>>d：R>>b0、d：b0稱為光源的極限寬度，△x/2+1Lr1d0DR·r2r1r2單色光源b0

/2xLM其計(jì)算如下：此時(shí)L端的一級(jí)明紋中心在一級(jí)明紋：第四十一頁(yè)，共50頁(yè)。為觀察到較清晰的干涉條紋通常取，得光源的極限寬度：由dDR極限寬度b0時(shí)，才能觀察到干涉條紋。當(dāng)光源寬度第四十二頁(yè)，共50頁(yè)。三、相干間隔和相干孔徑角1、相干間隔R一定時(shí)，d0越大，光場(chǎng)的空間相干性越好。由則要得到干涉條紋，必須令—相干間隔d0bS1S2Rd若b和R一定，相干間隔d0是光場(chǎng)中正對(duì)光源的平面上能夠產(chǎn)生干涉的兩個(gè)次波源間的最大距離。第四十三頁(yè)，共50頁(yè)。2、相干孔徑角S1S2b0d0R相干孔徑角：0越大空間相干性越好。在θ0范圍內(nèi)的光場(chǎng)中，正對(duì)光源的平面上的任意兩點(diǎn)的光振動(dòng)是相干的。

普通單色光源分波面干涉受到光源寬度的限制，不受以上限制。相干孔徑角來(lái)代替。相干間隔也可以用—d0對(duì)光源中心的張角。存在條紋亮度和襯比度的矛盾。而激光光源則第四十四頁(yè)，共50頁(yè)。本章內(nèi)容2理論基礎(chǔ)2.2光的電磁特性2.3光的量子特性2.4光的干涉2.1光的本質(zhì)2.5光源非理想對(duì)干涉的影響2.6光程2.7光的衍射第四十五頁(yè)，共50頁(yè)。n同一束光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率f不變而波長(zhǎng)不同