第二章光纤通信的物理学知识优秀课件.ppt

第二章光纤通信的物理学知识第1页，本讲稿共58页思考l天空为什么是蓝色的?夕阳和日出为什么是红色?l物体为什么显示不同的颜色?l彩虹是怎么形成 的?l透过两支铅笔的缝隙看日光灯看到的彩色条纹形成原因?第2页，本讲稿共58页2.2光的反射、折射、全反射和双折射l光可以在各种不同的物质中传播，光从一种媒质向另一种媒质传播时，将会发生反射、折射、全反射和双折射等现象。l光的反射定律：l入射光线、反射光线和垂直界面的法线三者在同一平面内；l入射角等于反射角；l入射光线和反射光线分居法线的两侧。第3页，本讲稿共58页光的折射定律：l入射光线和折射光线分别在法线的两侧；l入射角和折射角的正弦之比等于光在该两种媒质中传播速度之比。l假如光是从真空向某一媒质进行传播，那么光在真空中的传播速度与光在该媒质的传播速度之比称为该媒质的绝对折射率 第4页，本讲稿共58页光的全反射：l如果光是从光密媒质向光疏媒质传播，折射光线将远离法线，反之光疏媒质向光密媒质传播时，折射光线将向法线靠近，而远离法线的程度则与入射角的大小有关。试验证明，入射角越大，则折射角亦越大，折射光线越远离法线。当入射角大到某一值时，折射光线就不在光疏媒质内传播了，而是沿光密光疏两媒质的交界面传播，这时的入射角叫临界角。如果入射角大过临界角，那末入射光线一点也不进入光疏媒质，而是全部又反射回原光密媒质，这种现象叫全反射。第5页，本讲稿共58页l全反射发生的条件?l1.光密介质射向光疏介质l2.入射角大于临界角l临界角的计算公式?l光疏介质折射率n1,光密介质折射率n2,临界角的大小?l光纤通信中,全反射发生在纤芯和包层的界面上第6页，本讲稿共58页2.3波动光学l以光的直线传播性质为基础，略去了光的波动性，属几何光学范畴波动光学，它的主要特点是将光视为电磁波，用波动理论来研究光在传播过程中所遵循的客观规律干涉、衍射、偏振是波动过程所特有的三种现象，第7页，本讲稿共58页2.3.1光的电磁理论l 关于光的本性的一种学说。把光看作是以光频振荡的电磁波，借助于麦克斯韦的电磁理论来解释光的传播、干涉、衍射、偏振等现象以及光和物质相互作用的规律。l人眼所能感受到的光称为可见光。可见光是光波中很小的一个成员，其实质是一种电磁波。如果把电磁波按照其波长或频率有顺序地排列起来，就得到电磁波谱。人眼对各种波长的可见光有不同的感受灵敏度。为人眼最敏感的黄、绿色第8页，本讲稿共58页l光波是横波，在光波中，产生胶片感光或眼睛生理作用的是电场强度矢量E，因此在光学中称之为光矢量，电量的振动为光振动，并且用E来表述光波。第9页，本讲稿共58页2.3.2光的干涉l何谓光的干涉？l光的干涉产生的条件？l普通光能否产生光的干涉？为什么？l光的干涉规律是什么?第10页，本讲稿共58页2.3.2光的干涉l两个光源所发出的光波在空间叠加的结果，两个光源所发出的光波在空间叠加的结果，一般是强度均匀相加的。但是在一定条件一般是强度均匀相加的。但是在一定条件下，两个光波在空间的叠加会形成明暗不下，两个光波在空间的叠加会形成明暗不均的现象。如果这两个光波是白色自然光，均的现象。如果这两个光波是白色自然光，则叠加区域会产生五颜六色的现象。这些则叠加区域会产生五颜六色的现象。这些现象表明了光的一种重要波动特性，即干现象表明了光的一种重要波动特性，即干涉特性。涉特性。第11页，本讲稿共58页光的干涉条件l相干光：频率相同、振动方向相同、相位差相干光：频率相同、振动方向相同、相位差恒定。恒定。l相干光的获得：相干光的获得：分波阵面法分波阵面法和和分振幅法分振幅法 l相干光源：激光相干光源：激光第12页，本讲稿共58页光的干涉规律l折折射射率率n n与与光光波波在在该该媒媒质质中中传传播播的的几几何何路路程程r r的乘积的乘积nrnr叫做光程。叫做光程。l两两束束相相干干光光在在不不同同媒媒质质中中传传播播时时，对对干干涉涉加加强强(亮亮纹纹)和和减减弱弱(暗暗纹纹)条条件件起起决决定定作作用用是是这这两束光的光程差。两束光的光程差。l两束光总的光程差两束光总的光程差满足如下规律：满足如下规律：l入射光满足入射光满足l=k k=1,2,k k=1,2,，干涉加强，干涉加强。=（k+1/2）2 k=1,2,，干涉减弱，干涉减弱。第13页，本讲稿共58页l(二二)透镜不产生附加的光程差透镜不产生附加的光程差l 光经过透镜折射后，改变了原来的传播方向。但是在光经过透镜折射后，改变了原来的传播方向。但是在观察干涉现象时，使用透镜并不会引起附加的光程差。观察干涉现象时，使用透镜并不会引起附加的光程差。具有相同光程的原因可简单地理解为：几何路程长的光具有相同光程的原因可简单地理解为：几何路程长的光线在透镜中的行程短；几何路程短的光线在透镜中的行线在透镜中的行程短；几何路程短的光线在透镜中的行程长儿何路程短的光线在远贸中的行程长。真空中的折程长儿何路程短的光线在远贸中的行程长。真空中的折射率为射率为1，其他光学材料的折射率均大于，其他光学材料的折射率均大于1，因此折算，因此折算成光程是相等的。成光程是相等的。第14页，本讲稿共58页l(三三)由半波损失引起的附加光程差由半波损失引起的附加光程差l折射率较大的媒质称为光密媒质；折射率较折射率较大的媒质称为光密媒质；折射率较小的称为光疏媒质。当光线由光疏媒质射小的称为光疏媒质。当光线由光疏媒质射向光密媒质，并在两媒质的分界面反射时，向光密媒质，并在两媒质的分界面反射时，反射回光疏媒质的反射光线，其相位突变，反射回光疏媒质的反射光线，其相位突变，即入射光波和反射光波的相位相反。因为即入射光波和反射光波的相位相反。因为损失了损失了相位就相当于损失了半个波长，所相位就相当于损失了半个波长，所以，这种现实称为反射光产生半波损失。以，这种现实称为反射光产生半波损失。与上述相反的过程无半波损失。与上述相反的过程无半波损失。第15页，本讲稿共58页l例：空气中的水平肥皂厚度d0.32um，折射率n21.33，如果白光照射时，肥皂膜呈现什么色彩？l课后习题2.3第16页，本讲稿共58页2.3.3光的衍射l在一定条件下，光能够绕过障碍物改变传播方向的现象称为衍射。l惠更斯菲涅尔原理可以这样表述：从同一波阵面上各点所发出的子波，经传播而在空间某点相遇时，也可以相互量加而产生干涉现象，第17页，本讲稿共58页l半波带分析法:lN=asin/2 l当N为奇数时,为明点;l当N为偶数时,为干涉相消,为暗点.l单缝夫琅和费衍射条纹的明暗条件asin=2K./2 K=1，2，3暗纹asin=（2K+1）/2 K=1，2，3明纹=0 中央明纹第18页，本讲稿共58页单缝衍射l单缝衍射：菲涅耳衍射和夫琅和费衍射。l单缝衍射条纹特征：l单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明暗相间的直条纹，它们对称地分布于中央明纹两侧；l明纹亮度不均匀，中央明纹最亮，其他各明纹的亮度将随着级数的增高而逐步减弱第19页，本讲稿共58页衍射与波长，缝宽的关系la一定，同一级条纹,反之 ，,用白光作衍射光，中央明纹为白色，其他条纹为彩色；l一定，同一级条纹，a，缝越细，条纹越明显，最大衍射角90度la，缝宽到一定程度，无衍射现象，传播光线为直线传播第20页，本讲稿共58页光栅衍射 为了提高测量精度，必须提供一种又亮又窄、间隔又很大的明条纹。利用衍射光栅可以做到这一点。衍射光栅分为：反射光栅和透射光栅，它是近代物理实验中时常用到的一种重要光学元件，是一种分光装置主要用来形成光谱。衍射光栅也常用于光纤通信。l 第21页，本讲稿共58页1.1.光栅衍射光栅衍射光栅衍射光栅衍射光栅光栅 大量等宽等间距的平行狭缝大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面或反射面)构成的光学元件。构成的光学元件。d反射光栅反射光栅d透射光栅透射光栅 a是透光（或反光）部分的宽度是透光（或反光）部分的宽度d=a+b 光栅常量光栅常量b b是不透光是不透光(或不反光或不反光)部分的宽度部分的宽度 光栅常数光栅常数 种类：种类：1.1 基本概念基本概念第22页，本讲稿共58页光栅的衍射图样光栅的衍射图样设光栅的每个缝宽均为设光栅的每个缝宽均为a，在夫琅禾费衍射下，每，在夫琅禾费衍射下，每个缝的衍射图样位置是相重叠的。个缝的衍射图样位置是相重叠的。不考虑衍射时不考虑衍射时,多缝干涉的光强分布图：多缝干涉的光强分布图：sin N2sin2N/sin2 04-8-48(/d)多光束干涉光强曲线多光束干涉光强曲线光栅衍射光栅衍射光栅衍射光栅衍射第23页，本讲稿共58页ad f透镜透镜I衍射光相干叠加衍射光相干叠加衍射的影响：衍射的影响：多缝干涉条纹各级主极大的强度不再相等，而多缝干涉条纹各级主极大的强度不再相等，而是受到了衍射的调制。主极大的位置没有变化是受到了衍射的调制。主极大的位置没有变化。光栅衍射光栅衍射光栅衍射光栅衍射第24页，本讲稿共58页sin 0I单单I0单单-2-112(/a)单缝衍射光强曲线单缝衍射光强曲线IN2I0单单048-4-8sin(/d)单缝衍射衍射 轮廓廓线光栅衍射光栅衍射光强曲线光强曲线sin N2sin2N/sin2 04-8-48(/d)多光束干涉光强曲线多光束干涉光强曲线光栅衍射光栅衍射光栅衍射光栅衍射第25页，本讲稿共58页2.4光的偏振l光波是一种横波，即电场强度矢量、磁场强度矢量均垂直于波速矢量。光波的这一特性不能根据干涉与衍射实验推出，然而它却是光的波动性的另一重要表现。l自然光为非偏振光；l如果采用某种装置只允许一个方向 的光振动通过，则可得到线偏振光。线偏振光也称为完全偏振光。如果采用的装置能减弱某个方向上的光振动，则可得到部分煽振光。部分偏振光也称为椭圆偏振光第26页，本讲稿共58页11光的偏振状态光的偏振状态一一.线偏振光：光矢量只沿一个固定的方向振动线偏振光：光矢量只沿一个固定的方向振动E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyEx yx 第27页，本讲稿共58页线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面二二.自然光自然光没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解 一一束束自自然然光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂直的、等幅的、垂直的、等幅的、不相干不相干的线偏振光。的线偏振光。自然光的表示法：自然光的表示法：第28页，本讲稿共58页三、部分偏振光三、部分偏振光:某一方向的振动比其它方向占优势某一方向的振动比其它方向占优势部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光 部部分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不不等幅的、等幅的、不相干不相干的线偏振光。的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行板面光振动较强平行板面光振动较强垂直板面光振动较强垂直板面光振动较强第29页，本讲稿共58页四四.偏振度偏振度 I IMM 在某一方向上的偏振光强度最大值在某一方向上的偏振光强度最大值 I In n与之垂直方向的偏振光强度最小值与之垂直方向的偏振光强度最小值 平面偏振光平面偏振光P P=1=1自然光自然光(非偏振光非偏振光)P P=0=0部分偏振光部分偏振光0 0 P P 1 1第30页，本讲稿共58页22偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律一一.起偏起偏 起偏的原理起偏的原理：利用某种光学的不对称性利用某种光学的不对称性 偏振片：强烈吸收某一方向的光振动，而对与之垂直的偏振片：强烈吸收某一方向的光振动，而对与之垂直的另一方向的光振动几乎不吸收另一方向的光振动几乎不吸收利用偏振片可起偏，亦可检偏。利用偏振片可起偏，亦可检偏。起偏：起偏：从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光 起偏器起偏器:起偏起偏的光学器件的光学器件第31页，本讲稿共58页自然光自然光 I0线偏振光线偏振光 IP偏振化方向偏振化方向(透振方向透振方向)二二.马吕斯定律马吕斯定律 I0IPP E0 E=E0cos 偏振片的起偏偏振片的起偏 马吕斯定律马吕斯定律（18091809）消光消光 第32页，本讲稿共58页三三.检偏检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态用偏振器件分析、检验光的偏振态I?P待检光待检光思考：思考：I不变不变？是什么光？是什么光 I变，有消光变，有消光？是什么光？是什么光 I变，无消光变，无消光？是什么光？是什么光第33页，本讲稿共58页四、布儒斯特定律四、布儒斯特定律一一.反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振i=i00时，反射光只有时，反射光只有S S分量，分量，i 0 布儒斯特角布儒斯特角或或起偏角。并且有：起偏角。并且有：i i0 0 +r r0 0=90=90O O-布儒斯特定律布儒斯特定律 (1812(1812年年)n1n2i ir反反射射和和折折射射后后产产生部分偏振光生部分偏振光n1n2i0i0r0偏振光偏振光S起偏振角起偏振角 根据折射定律：根据折射定律：最后推得：最后推得：第34页，本讲稿共58页布儒斯特定律 1812年，布儒斯特在实验中发现：反射光的偏振化程度与入射角有关。当入射角自然光以起偏振角入射时，其反射光和折射光的传播方向相互垂直，且反射光成为线偏振光。计算：布儒斯特角第35页，本讲稿共58页若n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，则：二二.玻璃片堆起偏和检偏玻璃片堆起偏和检偏 1.1.起偏：起偏：当当i=i0 0时时自然光从空气自然光从空气玻璃玻璃i0(接近线偏振光接近线偏振光)2.2.检偏：检偏：玻璃片堆玻璃片堆布布儒儒斯斯特特角角的的计计算算第36页，本讲稿共58页44光在晶体中的传播光在晶体中的传播,双折射双折射 方解石方解石oee o一一.双折射的概念：双折射的概念：1.双折射双折射n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光2.2.寻常光和非寻常光，寻常光和非寻常光，它它 们都是平面偏振光。们都是平面偏振光。o o光光:遵从折射定律遵从折射定律e e光光:一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e e光折射线也不一定在入射面内。光折射线也不一定在入射面内。IIeI0偏振光入射：偏振光入射：自然光入射：自然光入射：第37页，本讲稿共58页3.3.晶体的光轴晶体的光轴当光在晶体内沿某个特殊方向传播时当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双不发生双折射，折射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴。光轴。例如，方解石晶体例如，方解石晶体(冰洲石冰洲石)AB光轴光轴102 光轴是一特殊的方向光轴是一特殊的方向,凡平行于凡平行于此方向的直线均为光轴此方向的直线均为光轴。单轴晶体：单轴晶体：有一个光轴的晶体。有一个光轴的晶体。双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体。有两个光轴的晶体。第38页，本讲稿共58页2.4光的吸收色散和散射l光的吸收、色散、散射都是光波与物质的相互作用过程。1光的吸收(1)吸收的线性规律 光的吸收是指光波通过介质后，光强减弱现象。吸收的线性规律为：I=I0e-z第39页，本讲稿共58页l(2)光的吸收与波长的关系l物质对某些波长的光具有选择吸收性l在无线通信中，就要考虑大气对电磁波的吸收问题。l光纤对于某种波长的光波也具有强烈的选择吸收性 l(3)吸收光谱l光的吸收和光波的波长有关，吸收随光波波长的变化就构成吸收光谱。l思考：为什么物体显示颜色？第40页，本讲稿共58页l2色散l(1)色散的概念l色散是介质的折射率n随光波波长变化的现象l(2)正常色散l介质的折射率n是随波长的增加而减小的色散叫正常色散。l(3)反常色散l反常色散是介质的折射率n随着波长的增加而增加，与正常色散正好相反。第41页，本讲稿共58页l3散射l(1)光的散射l当光通过不均匀介质时，会偏离原来的方向而向四周传播，这种现象称为光的散射。l(2)线性散射l散射光的频率等于入射光的频率，散射光中没有新频率的光产生，这类散射称为线性散射。l(3)非线性散射l散射光中除了入射光的频率或谱线之外，还有新频率的光或新谱线产生，这类散射称为非线性散射。拉曼散射和布里渊散都属于非线性散射。第42页，本讲稿共58页2.5激光原理Laser:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation light:光光 amplification:放大、增强放大、增强 stimulate：刺激、激发刺激、激发emission：发射、放射：发射、放射 radiation：辐射：辐射第43页，本讲稿共58页2.5激光原理l激光Laser（Light amplification by stimulated emission of radiation）l光的受激辐射放大。l1960年梅曼研制了第一台激光器红宝石激光器l无辐射跃迁和辐射跃迁l光与物质相互作用的三个主要过程：l自发辐射、受激吸收、受激辐射第44页，本讲稿共58页激 光辐射跃迁：受激吸收；自发辐射；受激辐射第45页，本讲稿共58页2.5.1 激光的特性 (Laser output-beam properties)J单色性：指光强按频率的分布状况，激光的频谱宽度非常窄J相干性：时间相干性和空间相干性都很好J方向性：普通光向四面八方辐射，而激光基本沿某一直线传播，激光束的发散角很小J高亮度：在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大第46页，本讲稿共58页2.5.2 激光的形成粒子数反转分布l要获得光放大，就必须有高能级粒子数N2大于低能级粒子数N1的分布，称为粒子数反转分布。l实现粒子数反转是产生激光的必要条件。l要形成粒子数反转，必须具备下述条件：l要有激活介质或增益介质。其次，要有激励或称为泵浦。第47页，本讲稿共58页激 光粒子数反转激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占主导地位而抑制自发辐射！第48页，本讲稿共58页激光器的组成(Essential elements of a laser)激光器基本组成包括：工作物质、谐振腔和泵浦系统三大部分(A laser medium,suitable optical feedback elements,and a pumping process.)1、工作物质是激光器的核心第49页，本讲稿共58页谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的反馈谐振腔是激光器的重要部件，不仅是形成激光振荡的必要条件，而且还对输出的模式、功率、光束发散角等均有很大影响谐振腔由全反射镜和部分反射镜（输出反射镜）组成，激光由部分反射镜输出。根据实际情况选用稳定腔、非稳腔或临界稳定腔2、谐振腔第50页，本讲稿共58页 泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量(A pumping process is required to excite atoms in the laser medium into their higher quantum-mechanical energy levels.)Practical laser materials can be pumped in many ways.l光激励-用光照射工作物质，工作物质吸收光能后产生粒子数反转，可采用高效率、高强度的发光灯、太阳能和激光l放电激励-在放电过程中，气体分子（或原子，离子）与被电场加速的电子碰撞，吸收电子能量后跃迁到高能级，形成粒子数反转3、泵浦系统粒子搬迁的动力第51页，本讲稿共58页热能激励-用高温加热方式使高能级上气体粒子数增加，然后突然降低气温度，因高、低能级的热驰豫时间不同，可使粒子数反转化学能激励利用化学应过程中释放的能量来激励粒子，建立粒子数反转。为产生化学反应，一般还需采用一定的引发措施，如采用光引发、电引发、化学引发等方式核能激励用核裂变反应放出的高能粒子、放射线或裂变碎片等来激励工作物质，也可实现粒子数反转第52页，本讲稿共58页工作物质-可以分为气体、固体、半导体、液体、化学、自由电子激光器工作方式-连续工作(CW or continuous wave lasers)和脉冲工作(Pulsed lasers)激光技术-调Q激光器(Q-switched lasers)、锁模激光器(Mode locked lasers)、倍频激光器(Frequency doubling lasers)、可调谐激光器(Tunable lasers)、单模和多模激光器(Single-mode and Multi-mode lasers)等激光器的分类:第53页，本讲稿共58页l输出激光的影响因素有：光学谐振腔的腔长L的影响，光学谐振腔反射镜的大小和形状的影响，分别称为纵模特性和横模特性。l(1)纵模l在激光谐振腔内，每一个谐振频率对应一个驻波模式，这种纵向振荡模式称为纵模。3 3激光的模式激光的模式第54页，本讲稿共58页l 激光谱线有一定频率范围，包含有限个纵模。只输出一个纵模的激光器称为单纵模激光器，能输出多个纵模的称为多纵模激光器。l激光器输出的纵模越多，激光的单色性就越差。因此，对要求单色性好的激光器，必须采取选模措施，实现单纵模输出。第55页，本讲稿共58页l(2)横模l激光腔内与腔轴垂直的横截面内的稳定光场分布叫做横模。不同横模的光场分布相差很大。l基模的光强分布均匀，有较好的空间相干性，是理想的横模。l调节谐振腔可以抑制高阶横模，在腔内放置适当孔径的光阑，都获得基模输出。第56页，本讲稿共58页第57页，本讲稿共58页激光产生条件激光产生条件1.激光的四个基本特点:(单色性好；方向性好；相干性好；亮度高）2.玻耳兹曼分布，粒子数反转;3.辐射跃迁和非辐射跃迁;4.光和物质相互作用包括的三种基本过程；5.自发辐射、受激辐射和受激吸收，6.自发辐射和受激辐射的特点，7.单色辐射能量密度的概念和普朗克黑体辐射能量密度;8.受激辐射大于吸收的条件？9.实现受激光放大的条件10.激光器的基本结构由那三个部分组成，各有何作用;第58页，本讲稿共58页