光电基础知识培训-经典.ppt

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1、1 光电基础知识光电基础知识 培训课程培训课程2课程安排课程安排几几几几何何何何光光光光学学学学波波波波动动动动光光光光学学学学光光光光纤纤纤纤通通通通讯讯讯讯基基基基础础础础光光光光学学学学材材材材料料料料反射反射折射折射全反射全反射干涉干涉衍射衍射偏振偏振光纤光纤激光器激光器光无源器件光无源器件光学玻璃光学玻璃光学晶体光学晶体光学塑料光学塑料3光光-LightLight，是我们最熟悉的现象之一，是我们最熟悉的现象之一，没有光，人类就无法生存。没有光，人类就无法生存。万物生长靠太阳！万物生长靠太阳！地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！4生活中，

2、大自然中有关光的现象无处不在生活中，大自然中有关光的现象无处不在佛光佛光彩虹彩虹海市蜃楼海市蜃楼日晕日晕5光学的应用领域越来越广泛光学的应用领域越来越广泛显微镜显微镜激光制导激光制导潜望镜潜望镜红外雷达红外雷达哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜光纤通讯光纤通讯6光学的发展历史光学的发展历史 萌芽时期萌芽时期 （前（前5世纪世纪-15世纪末世纪末）几何光学时期几何光学时期 （16世纪初世纪初-18世纪末）世纪末）波动光学时期波动光学时期 （19世纪初世纪初-19世纪末）世纪末）现代光学时期现代光学时期 （20世纪世纪60年代起年代起-）量子光学时期量子光学时期 （19世纪末世纪末-20世纪初）世纪初）

3、7光又是什么？光又是什么？什么是光？什么是光？Light is color!Light is energy!Light is wave?Light is particle?8光的简单认识光的简单认识 光是一种重要光是一种重要光是一种重要光是一种重要的自然现象，我的自然现象，我的自然现象，我的自然现象，我们之所以能够看们之所以能够看们之所以能够看们之所以能够看到客观世界中班到客观世界中班到客观世界中班到客观世界中班驳陆离，瞬息万驳陆离，瞬息万驳陆离，瞬息万驳陆离，瞬息万变的景象，就是变的景象，就是变的景象，就是变的景象，就是因为眼睛接收到因为眼睛接收到因为眼睛接收到因为眼睛接收到了物体发射，反了

4、物体发射，反了物体发射，反了物体发射，反射或散射的光。射或散射的光。射或散射的光。射或散射的光。光是一种波，光是一种波，光是一种波，光是一种波，同时也是一种粒同时也是一种粒同时也是一种粒同时也是一种粒子，也就是说既子，也就是说既子，也就是说既子，也就是说既可以把光看成光可以把光看成光可以把光看成光可以把光看成光波，也可以将光波，也可以将光波，也可以将光波，也可以将光看作是由光子组看作是由光子组看作是由光子组看作是由光子组成的粒子流成的粒子流成的粒子流成的粒子流光光光光具有波粒二象性具有波粒二象性具有波粒二象性具有波粒二象性 光是一种电磁光是一种电磁光是一种电磁光是一种电磁现象，也就是现象，也就

5、是现象，也就是现象，也就是说光是一种波说光是一种波说光是一种波说光是一种波长较短的电磁长较短的电磁长较短的电磁长较短的电磁波波波波9电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱（electromagnetic wave spectrum electromagnetic wave spectrum electromagnetic wave spectrum electromagnetic wave spectrum）实验证明实验证明光同无线电波、光同无线电波、X X射线、射线、射线一样都是电磁波射线一样都是电磁波，仅是它们的频，仅是它们的频率不同而已，电磁波的波长率不同而已，电磁波的波长、频率、频率和传播速

6、度和传播速度三者之间的关系为：三者之间的关系为：因为各种频率的电磁波在真空中的传播速度因为各种频率的电磁波在真空中的传播速度相等，所以频率相等，所以频率不同不同的电磁波，它们的波长的电磁波，它们的波长也就不同。频率高的波长短，频率低的波长长。也就不同。频率高的波长短，频率低的波长长。-按电磁波的波长（或频率）大小的顺序把它们排列成谱按电磁波的波长（或频率）大小的顺序把它们排列成谱速度速度=波长波长频率频率10 由由无线电波无线电波无线电波无线电波、红外线红外线红外线红外线、可见光可见光可见光可见光、紫外线紫外线紫外线紫外线、伦琴射伦琴射伦琴射伦琴射线线线线（X X X X射线）射线）射线）射线

7、）、射线射线射线射线合起来构成范围非常广阔的电合起来构成范围非常广阔的电磁波谱磁波谱 在电磁波中，能被眼睛看到的，在电磁波中，能被眼睛看到的，只是一个很窄的波段，通常叫只是一个很窄的波段，通常叫做可见光，在可见光做可见光，在可见光 范围内不同波长的光引起范围内不同波长的光引起不同的颜色感觉。不同的颜色感觉。（400-760nm）11不同的电磁波不同的电磁波不同的电磁波不同的电磁波 产生的机理不同产生的机理不同产生的机理不同产生的机理不同：无线电波无线电波红外线、可见光、紫外线红外线、可见光、紫外线X X射线射线射线射线是振荡电路中是振荡电路中是振荡电路中是振荡电路中自由电子自由电子自由电子自由

8、电子的周期性的运动产生的的周期性的运动产生的的周期性的运动产生的的周期性的运动产生的是原子的是原子的是原子的是原子的外层电子外层电子外层电子外层电子受到激发后产生的受到激发后产生的受到激发后产生的受到激发后产生的是原子的是原子的是原子的是原子的内层电子内层电子内层电子内层电子受到激发后产生的受到激发后产生的受到激发后产生的受到激发后产生的是是是是原子核原子核原子核原子核受到激发后产生的受到激发后产生的受到激发后产生的受到激发后产生的12无线电波无线电波波长范围波长范围特性特性应用应用波长大于波长大于1mm1mm传播过程中波动性明显传播过程中波动性明显无线电技术无线电技术13红外线红外线波长范围

9、波长范围特性特性760760nmnm10106 6nmnm热效应热效应应用应用 加热物体、红外摄影、探加热物体、红外摄影、探测物体、红外遥感技术等测物体、红外遥感技术等红外侦察红外侦察14可见光可见光波长范围波长范围特性特性应用应用400400nmnm760760nmnm能作用于眼睛并引起视觉能作用于眼睛并引起视觉照明、摄影等照明、摄影等15红红橙橙橙橙黄黄黄黄绿绿青青青青蓝蓝紫紫紫紫可见光光谱可见光光谱可见光光谱可见光光谱 可见光波长与颜色的可见光波长与颜色的对应关系如下对应关系如下 760076006300630060006000570057005000500045004500430043

10、0040004000单位：埃单位：埃单位：埃单位：埃16紫外线紫外线波长范围波长范围5 5nm nm 400400nmnm特性特性 荧光效应、化学作用、杀菌消毒荧光效应、化学作用、杀菌消毒应用应用感光技术、医用消毒等感光技术、医用消毒等紫外线杀菌灯紫外线杀菌灯紫外光皮肤病治疗仪紫外光皮肤病治疗仪 17X X射线和射线和射线射线波长范围波长范围X X射线：射线：1010-12-12m m 1010-9-9m m射线：小于射线：小于 1010-12-12 m m特性特性穿透力很强穿透力很强应用应用检查金属部件，医学透视等检查金属部件，医学透视等医学透视医学透视CT 机机18太阳辐射太阳辐射举例：举

11、例：l阳光含有：阳光含有：无线电波、红外无线电波、红外线、可见光、紫外线、线、可见光、紫外线、x x射射线、线、射线射线l太阳辐射的能量集中在太阳辐射的能量集中在可见可见光、红外线、紫外线光、红外线、紫外线三个区三个区域域l阳光中波长在阳光中波长在5.5x105.5x10-7-7m m的的黄黄绿光绿光附近，辐射的能量最强，附近，辐射的能量最强，这区域恰好是人眼最敏感这区域恰好是人眼最敏感19 光是一种波长较短的电磁波：光是一种波长较短的电磁波：光是一种波长较短的电磁波：光是一种波长较短的电磁波：400nm400nm400nm400nm760nm760nm760nm760nm 任何波长的电磁波在

12、真空中的传播速度都任何波长的电磁波在真空中的传播速度都是相同的：是相同的：C=310C=3108 8m/sm/s 光的颜色是光的颜色是光的颜色是光的颜色是由电磁波的频率决定由电磁波的频率决定由电磁波的频率决定由电磁波的频率决定的的的的 不同频率的色光在真空中波速相同，在介质中波速不同同不同频率的色光在真空中波速相同，在介质中波速不同同不同频率的色光在真空中波速相同，在介质中波速不同同不同频率的色光在真空中波速相同，在介质中波速不同同一色光在不同介质中，频率（颜色）不变，波长和波速都一色光在不同介质中，频率（颜色）不变，波长和波速都一色光在不同介质中，频率（颜色）不变，波长和波速都一色光在不同介

13、质中，频率（颜色）不变，波长和波速都要改变在同一介质中，频率越高，波速越小要改变在同一介质中，频率越高，波速越小要改变在同一介质中，频率越高，波速越小要改变在同一介质中，频率越高，波速越小单位换算：单位换算：1m=101m=103 3mm=10mm=106 6m=10m=109 9nm=10nm=1010 10 （埃）（埃）小小 结结 光具有光具有波粒二象性波粒二象性：光具有粒子性，这种粒子：光具有粒子性，这种粒子称做称做“光量子光量子”，简称，简称“光子光子”20几何光学几何光学21 几何光学几何光学 采用光的直线传播概念，研究光传播的基本规律和光采用光的直线传播概念，研究光传播的基本规律和

14、光通过光学系统成像的原理和应用通过光学系统成像的原理和应用 按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性，那么如按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性，那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光抽象成一条条光果只考虑光的粒子性，把光源发出的光抽象成一条条光线，然后按此来研究光学系统成像。线，然后按此来研究光学系统成像。内容内容221.1 1.1 几何光学基本定律几何光学基本定律几何光学基本定律几何光学基本定律（一）光的直线传播定律：（一）光的直线传播定律：光在均匀媒质里沿直线传播光在均匀媒质里沿直线传播 在点光源的照射下，在不透明在点光源的照射下，在不透明在点光源的照射下，在不透明在点光源的照射下，在

15、不透明的物体背后出现清晰的影子，影子的物体背后出现清晰的影子，影子的物体背后出现清晰的影子，影子的物体背后出现清晰的影子，影子的形状与光源为中心发出的直线所的形状与光源为中心发出的直线所的形状与光源为中心发出的直线所的形状与光源为中心发出的直线所构成的几何投影形状一致构成的几何投影形状一致构成的几何投影形状一致构成的几何投影形状一致 物体的影子物体的影子 光只有在均匀媒光只有在均匀媒质里沿直线传播，质里沿直线传播，在非均匀媒质中在非均匀媒质中光线将因折射而光线将因折射而弯曲弯曲23 在一个暗箱的前壁上开一小孔，在一个暗箱的前壁上开一小孔，由物体上各点发出的光线将沿直线由物体上各点发出的光线将沿

16、直线通过小孔，在暗箱的后壁上形成一通过小孔，在暗箱的后壁上形成一倒立的像倒立的像小孔成像小孔成像注意：光线只在均匀媒质中沿直线传播，注意：光线只在均匀媒质中沿直线传播，在非均匀媒质中光线将因折射而弯曲在非均匀媒质中光线将因折射而弯曲日食形成过程日食形成过程24（二）光的独立传播定律（二）光的独立传播定律 不同的光源发出的光线在空间某点相遇不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，时，彼此互不影响彼此互不影响彼此互不影响彼此互不影响。在光线的相会点上，。在光线的相会点上，光的强度是各光束的简单叠加，离开交会光的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后，各个光束点后，各个光束按原方向传播按原方向传播按原方

17、向传播按原方向传播。局限性：没有考虑光的波动性质局限性：没有考虑光的波动性质25（三）光的反射和折射定律（三）光的反射和折射定律 斯涅耳折射定律斯涅耳折射定律 n1 sin=n2 sin 这可是重点这可是重点啊！啊！光的反射、折射定律：光的反射、折射定律：反射线与折射线都在入射面内反射线与折射线都在入射面内反射角等于入射角，反射角等于入射角，=折射角与入射角正弦之比与入射角无折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒质和光的波长有关的关，是一个与媒质和光的波长有关的常数常数 26n1n2入射线入射线反射线反射线折射线折射线 -入射角入射角-反射角反射角 -折射角折射角物质的折射率物质的折射

18、率n=c/v -描述介质中光速减慢程度的物理量描述介质中光速减慢程度的物理量注意：几何光学三定律注意：几何光学三定律是近似的，它只有在空是近似的，它只有在空间障碍物以及反射和折间障碍物以及反射和折射界面的尺寸远大于光射界面的尺寸远大于光的波长时成立的波长时成立 利用三定律来设计利用三定律来设计光学仪器光学仪器法线法线真空折射率为真空折射率为1，在标准压力下，在标准压力下，20摄氏度时空气折射率为摄氏度时空气折射率为1.0002827（四）全反射现象（四）全反射现象A.全反射现象的定义：全反射现象的定义：光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射和反射，但在一定条件下，入射到介质上的光会全部

19、反射回原来的介质中，而没有折射光产生，这种现象称为光的全光的全反射现象反射现象B.发生全反射的条件可归结为：发生全反射的条件可归结为：、光线从光密介质射向光疏介质 、入射角大于临界角 重点重点28C.全反射现象的产生过程：全反射现象的产生过程：a a、一般情况下、一般情况下 斯涅耳折射定律斯涅耳折射定律 n1 sin=n2 sin b b、n1n1n2n2c c、n1n1n2n2应用到的应用到的公式公式入射光在两种均入射光在两种均匀介质的分界面匀介质的分界面产生折射和反射产生折射和反射入射角入射角折射角折射角入射角入射角折射角折射角29=90n1sin=n2sin全反射条件：全反射条件：n1n

20、2 sinsin 当当=90时，此时的时，此时的称为临界角称为临界角当入射角当入射角大于临界角时发生全反射现象大于临界角时发生全反射现象n1n2就这么就这么简单！简单！30D.两个全反射原理应用的例子：两个全反射原理应用的例子：、全反射棱镜i i、改变光线传播方向、改变光线传播方向iiii、在光学仪器中，代替平、在光学仪器中，代替平面反射镜，减少反射时的面反射镜，减少反射时的光能损失光能损失等腰直角三角棱镜等腰直角三角棱镜、光学纤维、光学纤维光纤线传输光信号光纤线传输光信号光线光线纤芯和包层纤芯和包层涂覆层涂覆层311.2 1.2 1.2 1.2 反射棱镜、折射棱镜、透镜反射棱镜、折射棱镜、透

21、镜反射棱镜、折射棱镜、透镜反射棱镜、折射棱镜、透镜反射棱镜反射棱镜简单棱镜简单棱镜屋脊棱镜屋脊棱镜复合棱镜复合棱镜角锥棱镜角锥棱镜A A：反射棱镜反射棱镜反射棱镜反射棱镜 -将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件32B B：折射棱镜折射棱镜折射棱镜折射棱镜 -是通过两个折射面对光线的折射进行工作的，两折射面的交线称为折射棱是通过两个折射面对光线的折射进行工作的，两折射面的交线称为折射棱是通过两个折射面对光线的折射进行工作的，两折射面的交线称为折射棱是

22、通过两个折射面对光线的折射进行工作的，两折射面的交线称为折射棱应用：棱镜光谱仪，研究光谱应用：棱镜光谱仪，研究光谱棱镜的色散棱镜的色散利用棱镜对不同波长的光有不同的折射率这一性质利用棱镜对不同波长的光有不同的折射率这一性质33C C：透镜透镜 -由两个折射面包围一种透明介质（如玻璃）所形成的光学零件由两个折射面包围一种透明介质（如玻璃）所形成的光学零件34光路图光路图光路图光路图35实物图片实物图片36光的三原色光的三原色由右由右图图可知，可知，颜颜料料三原色三原色加在一起可加在一起可变变成黑色成黑色。顏料三原色混合：顏料三原色混合：洋洋红红+青青=蓝蓝 青青+黃黃=绿绿红红+洋洋红红=红红洋

23、洋红红+青青+蓝蓝=黑黑 红红、绿绿、蓝蓝能够匹配所有颜色的三种颜色称为三原色能够匹配所有颜色的三种颜色称为三原色37波动光学波动光学38 波动光学波动光学 以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律 以波动理论研究以波动理论研究光的传播光的传播及光与物质相互作用的光学及光与物质相互作用的光学分支分支 内容内容394041 电磁波电磁波电磁波电磁波：随时间变：随时间变化的电场在周围空间产化的电场在周围空间产生一个涡旋的磁场，随生一个涡旋的磁场，随时间变化的磁场在周围时间变化的磁场在周围空间产生一个涡旋的电空间产生一个涡旋的电场，它们互相激发，交场，它们互相

24、激发，交替产生，在空间形成统替产生，在空间形成统一的场一的场电磁场，交电磁场，交变电磁场在空间以一定变电磁场在空间以一定的速度由近及远的传播，的速度由近及远的传播，就形成了电磁波就形成了电磁波 电磁波最主要的电磁波最主要的性质之一就是能够传性质之一就是能够传输能量，电磁波的传输能量，电磁波的传播过程伴随着能量在播过程伴随着能量在空间的传递空间的传递光波既光波既然是电磁波，它的传然是电磁波，它的传播过程就是能量传递播过程就是能量传递的过程，而光源发光的过程，而光源发光实际上是物体不断向实际上是物体不断向外辐射电磁波的过程外辐射电磁波的过程42u电磁波在真空中的传播速度为 3103108 8m/s

25、m/su振动振动振动振动：物体在一定的位置附近来回重复的运动波动是振动的传播过程，振动是产生波动的根源 波动最基本的形式有两种：横波和纵波横波和纵波横波和纵波横波和纵波水面波是横波，声波是纵波，电磁波也是一种横波水面波是横波，声波是纵波，电磁波也是一种横波43横波横波横波横波：振动方向和传播方向垂直的波举例举例：将一根绳子一端固定，呈水平状，手握绳子另一端做上下振动，凹凸传播图：绳子形成的横波图：绳子形成的横波纵波纵波纵波纵波：振动方向和传播方向相同的波举例举例：用手迅速而有节奏的推压弹簧的另一端，可以看到弹簧上有的部分疏，有的部分密，疏密相间，沿着弹簧向前传播图：弹簧形成的纵波图：弹簧形成的

26、纵波机械振动的传播过程机械振动的传播过程形成机械波，电磁振动形成机械波，电磁振动（电磁振荡）的传播过（电磁振荡）的传播过程形成电磁波程形成电磁波横波和纵波演示横波和纵波演示44光的电磁理论光的电磁理论A:光是某一波段的电磁波光是某一波段的电磁波,在真空中电磁波的传播速度是在真空中电磁波的传播速度是=2.99794108 m/s 3108 m/s EH45 C C:可见光的波长范围和频率范围。（真空中）可见光的波长范围和频率范围。（真空中）B:折射率折射率连接光学和电磁学的桥梁。连接光学和电磁学的桥梁。390760nm 7.510144.11014Hz红外紫外D D:光波是横波（振向和传向垂直）

27、光波是横波（振向和传向垂直）实验证明：对人眼视觉和感光仪器起作用的主要是光的振动部分，实验证明：对人眼视觉和感光仪器起作用的主要是光的振动部分，所以，一般用电振动矢量来代表光的振动。所以，一般用电振动矢量来代表光的振动。光在不同介质中，光速不同，但频率不光在不同介质中，光速不同，但频率不 变，所以波长变，变，所以波长变，波长一般指真空中的波长。波长一般指真空中的波长。46光波的干涉光波的干涉光波的干涉光波的干涉u干涉：干涉：在两个（或多个）光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分布的现象称为光的干涉现象光的干涉现象 干涉现象：干涉现象：干涉现

28、象：干涉现象：对于光波来说，干涉现象往往表现成亮暗相间的条纹，干涉现象的显著程度可用干涉条纹的反衬度反衬度来描述：=（I IM M-I Im m)/()/(I IM M-I Im m)0101其中其中I IM M和和I Im m分别是干涉场中光分别是干涉场中光强的极大和极下值强的极大和极下值两束波形成干的两束波形成干的条件：条件：频率相同频率相同振动方向相同振动方向相同相位差恒定相位差恒定重点重点47杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉(1801年年)So缝屏缝屏缝屏缝屏接收屏接收屏暗条纹暗条纹以中央明纹为对称的以中央明纹为对称的明暗相间的干涉条纹明暗相间的干涉条纹S1S2.48D相邻两条明（暗）纹的间距

29、：相邻两条明（暗）纹的间距：49迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪光路图光路图光路图光路图法布里法布里法布里法布里-泊罗干涉仪泊罗干涉仪泊罗干涉仪泊罗干涉仪的结构和光路的结构和光路的结构和光路的结构和光路两种常用的干涉仪介绍两种常用的干涉仪介绍50干涉的应用干涉的应用等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶 测表面不平度测表面不平度1:测波长：测波长：已知已知、n，测测L可得可得2:测折射率：测折射率：已知已知、，测测L可得可得n3:测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化牛顿环牛顿环1：测透镜球面的半径：测透镜球面的半径R2：测波长：测波长 3：检验透镜球表

30、面质量：检验透镜球表面质量51光波的衍射光波的衍射光波的衍射光波的衍射衍射现象衍射现象：当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍射52 一切波都能发生衍射，通过衍射把能量传到阴影区域，能够发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸跟波长差不多障碍物或孔的尺寸跟波长差不多 取一个不透光的屏，取一个不透光的屏，在它的中间装上一个在它的中间装上一个宽度可以调节的狭缝，宽度可以调节的狭缝，用平行的单色光照射，用平行的单色光照射，在缝后适当距离处放在缝后适当距离处放一个像屏一个像屏 激激激激光光光光束束束束像像像像屏屏屏屏调节狭调节狭调节狭调节狭缝宽窄缝宽窄缝宽窄缝宽窄光光光光的的的的衍衍衍衍射

31、射射射53光光光光的的的的衍衍衍衍射射射射衍射装置实物图衍射装置实物图541 1 1 1、中央亮纹宽而亮、中央亮纹宽而亮、中央亮纹宽而亮、中央亮纹宽而亮2 2 2 2、两侧条纹具有对称性，亮纹较窄、较暗、两侧条纹具有对称性，亮纹较窄、较暗、两侧条纹具有对称性，亮纹较窄、较暗、两侧条纹具有对称性，亮纹较窄、较暗单缝衍射条纹的特征单缝衍射条纹的特征单缝衍射条纹的特征单缝衍射条纹的特征光光光光的的的的衍衍衍衍射射射射55ABS 1、孔较大时孔较大时屏屏上出现清晰的光斑上出现清晰的光斑 2、孔较小时孔较小时屏上出现屏上出现衍射花样衍射花样光光光光的的的的衍衍衍衍射射射射56光的横波性与五种偏振态光的横

32、波性与五种偏振态光的横波性与五种偏振态光的横波性与五种偏振态光的干涉和衍射现象表明光是一种波动光的干涉和衍射现象表明光是一种波动光的偏振表明光的横波性光的偏振表明光的横波性FF光波是电磁波，电磁波中起光作用光波是电磁波，电磁波中起光作用 的是电场矢量的是电场矢量(光矢量光矢量)FF偏振态：偏振态：光矢量的振动状态光矢量的振动状态FF五种偏振态：五种偏振态：自然光，线偏振光自然光，线偏振光,部分偏振部分偏振光光,椭圆偏振光椭圆偏振光,圆偏振光圆偏振光571 1、自然光、自然光FF在垂直于光传播方向的平面内，沿各个在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向都有光振动，且各个方向光矢量的振方向都有光振动

33、，且各个方向光矢量的振幅相等的光幅相等的光582 2、线偏振光、线偏振光光光矢矢量量只只沿沿一一个个固固定定方方向向振振动动的的光光(又又称称平面偏振光平面偏振光)振动面振动面光矢量光矢量593 3、部分偏振光、部分偏振光 在垂直于光传播方向的平面内，各方向在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅不等的光都有光振动，但振幅不等的光604 4、圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光在在垂垂直直于于光光的的传传播播方方向向的的平平面面内内，光光矢矢量量以以一一定定的的频频率率旋旋转转。矢矢量量端端点点轨轨迹迹为为椭椭圆圆时时称称其其为为椭圆偏振光椭圆偏振光，轨迹为圆时称其为，轨迹为圆

34、时称其为圆偏振光圆偏振光61偏振片：偏振片：吸收某方向光振动，而与其垂直方向吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过的装置的光振动能通过的装置偏振化方向：偏振化方向：能通过光振动的方向能通过光振动的方向偏振片偏振片偏振化偏振化方向方向6263n取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，就在软绳上形成一列横波取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，就在软绳上形成一列横波.现在，让软绳穿过一块带有狭缝的木板，如果狭缝与振动方向平行，则振动可以通过狭缝传到木板的另一侧（图甲）如果狭缝与振动方向垂直，则振动就被狭缝挡住而不能向前传播（图乙）n如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧

35、形成纵波，则无论狭缝怎样放置，弹簧上的纵波都可以通过狭缝传播到木板的另一侧（如下图）设计实验，证明光是一种横波设计实验，证明光是一种横波64偏振片发光体发光体以以光波光波代替代替机械波机械波以以偏振片偏振片代替代替木板狭缝木板狭缝65 当只有一块偏振片时，以光的传播方向为轴旋转偏振片，透射光的强度不变 当两块偏振片的透振方向平行时，透射光的强度最大，但是，比通过一块偏振片时要弱 当两块偏振片的透振方向垂直时，透射光的强度最弱，几乎为零.所以说：光波是一种横波所以说：光波是一种横波66反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振自然光在两各向同性媒介分界面上反

36、射和折射时，自然光在两各向同性媒介分界面上反射和折射时，自然光在两各向同性媒介分界面上反射和折射时，自然光在两各向同性媒介分界面上反射和折射时，反、折射光均成为反、折射光均成为反、折射光均成为反、折射光均成为部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光特点：特点：特点：特点：反射光垂直入射面的振动较强，折射光反之反射光垂直入射面的振动较强，折射光反之反射光垂直入射面的振动较强，折射光反之反射光垂直入射面的振动较强，折射光反之67产生偏振光的方法之一产生偏振光的方法之一 -布儒斯特角布儒斯特角FF18121812年年年年布儒斯特发现，当入射布儒斯特发现，当入射布儒斯特发现，当入射布儒斯特发现，当入射

37、角为某特定值时，反射光为振角为某特定值时，反射光为振角为某特定值时，反射光为振角为某特定值时，反射光为振动方向垂直于入射面的线偏振动方向垂直于入射面的线偏振动方向垂直于入射面的线偏振动方向垂直于入射面的线偏振光，而光，而光，而光，而折射光仍然是部分偏振折射光仍然是部分偏振折射光仍然是部分偏振折射光仍然是部分偏振光光光光，但此时偏振化程度最高，但此时偏振化程度最高，但此时偏振化程度最高，但此时偏振化程度最高此时有此时有此时有此时有布儒斯特角布儒斯特角此时的此时的此时的此时的i i i i0 0为为为为 -布儒斯特角布儒斯特角布儒斯特角布儒斯特角68 偏振现象的实际应用偏振现象的实际应用 制成偏光

38、眼镜，可观看立体电影制成偏光眼镜，可观看立体电影 若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面 45 角、且向同一方向倾斜的偏振片，可以避免角、且向同一方向倾斜的偏振片，可以避免 汽车会车时灯光的晃眼汽车会车时灯光的晃眼69 在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光 的干扰的干扰未装偏振片未装偏振片装偏振片装偏振片70光纤通讯基础光纤通讯基础71n光纤通讯：光纤通讯：光纤通信是以光波为载波，以光光纤通信是以光波为载波，以光光纤通信是以光波为载波，以光光纤通信是以光波为载波，以光纤（光导纤维）为传输媒体，将信号从纤（光导纤维）为传输

39、媒体，将信号从纤（光导纤维）为传输媒体，将信号从纤（光导纤维）为传输媒体，将信号从某一点传送到另一点的通信方式。某一点传送到另一点的通信方式。某一点传送到另一点的通信方式。某一点传送到另一点的通信方式。n光纤通讯的基本物质要素光纤通讯的基本物质要素 光纤、光源、光检测器光纤、光源、光检测器光纤、光源、光检测器光纤、光源、光检测器72光通讯发展简史光通讯发展简史 20002000多年前多年前 烽火台烽火台灯光、旗语、手势灯光、旗语、手势 1880年 光电话光电话无线光通信无线光通信 1970年 光纤通信光纤通信73 实现光实现光通讯的关通讯的关键点是什键点是什么？么？第一、第一、可靠的光源，可靠

40、的光源，相干性好相干性好第二、第二、合适的传播介质，合适的传播介质，损耗低，可靠性高损耗低，可靠性高74n1960 Maiman1960 Maiman：红宝石：红宝石激光器激光器n1962 GaAs1962 GaAs二极管激光器：脉冲方式，二极管激光器：脉冲方式，77K.77K.n1966 1966 高锟、高锟、HockhamHockham及及WertsWerts：石石英英光光纤纤的的损损耗耗可可以以减减小小到到适适合合作作为为传传输输介质介质n19701970两大重要突破两大重要突破康康宁宁公公司司：单单模模光光纤纤，损损耗耗 20dB/km20dB/km，传传输介质的阈值输介质的阈值贝尔实

41、验室：贝尔实验室：室温连续室温连续AlGaAsAlGaAs半导体激光半导体激光器器n波长波长850nm850nmn寿命几分钟数小时寿命几分钟数小时n结构：结构：GaAsGaAs材料上外延生长双异质结材料上外延生长双异质结AlGaAs AlGaAs 历史75n第一代：第一代：0.85um0.85um多模光纤多模光纤系统系统n第二代：第二代：1.3um1.3um多模光纤多模光纤系统系统n第三代：第三代：1.3um1.3um单模光纤单模光纤系统系统n第四代：第四代：1.55um1.55um单模光纤单模光纤系统系统n三个过渡：三个过渡：短波长短波长 长波长长波长多模光纤多模光纤 单模光纤单模光纤AlG

42、aAs/GaAsInGaAsP/InPAlGaAs/GaAsInGaAsP/InPn三项新技术三项新技术:波分复用波分复用(WDM)(WDM)相干通信相干通信光电子集成光电子集成(OEIC)(OEIC)历史76电话、摄象机、计算机、电视编码、调制、发射机信息源传输介质信息终端接收机、解调、解码光纤、双绞线、自由空间发送单元接收单元光通信系统介绍光通信系统介绍77n通信容量大n中继距离长n不受电磁干扰n资源丰富n光纤重量轻、体积小光纤通讯的优点光纤通讯的优点78n光是一种电磁波光是一种电磁波n可见光可见光400nm400nm760nm760nmn光纤通信所用的波长光纤通信所用的波长 近红外波段近

43、红外波段 8008001600nm1600nm（0.8m-1.6m)0.8m-1.6m)n光的反射、折射光的反射、折射n全反射全反射1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長波長10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f(Hz)1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范围光通信使用范围红外线红外线紫外线紫外线79纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层 纤芯纤芯Core:Core:折射率较高，用来传送光折射率较高，用来传送光 包层包层Cladding:Cladding:

44、折射率较低，与纤芯一起形成全反折射率较低，与纤芯一起形成全反 射条件；射条件；涂覆层涂覆层Jacket:Jacket:强度大，能承受较大冲击，保护光强度大，能承受较大冲击，保护光纤，增强光纤的柔韧性。纤，增强光纤的柔韧性。光纤的结构光纤的结构单模光纤单模光纤803MM光缆光缆3mm OUTER JACKET125 MICRON CLADDING(SILICA)50/62.5 MICRON CORE(SILICA)MULTIMODESINGLEMODEARAMID STRENGTHMEMBERS(Kevlar)900 MICRONBUFFER JACKET250 MICRON COATING 9

45、 MICRON CORE(SILICA)81ITU-T将单模光纤传输系统的低衰减工作波段将单模光纤传输系统的低衰减工作波段1260 1675nm细分的细分的6个波段个波段波段名称波段名称含义含义波长波长/nm放大技术放大技术O波段原始波段12601360掺镨光纤、半导体、拉曼E波段扩展波段13601460拉曼S波段短波段14601530掺铥光纤C波段常用波段15301565掺铒光纤、半导体、拉曼L波段长波段15651625掺饵光纤U波段超长波段1625167582 短工作波长：短工作波长：850nm850nm 长工作波长：长工作波长：1310nm1310nm、1550nm1550nm光纤的分类

46、光纤的分类-按工作波长按工作波长光纤的分类光纤的分类-按材料分类按材料分类石英系光纤：石英系光纤：高纯度的高纯度的SiO2SiO2掺适量杂质，光纤掺适量杂质，光纤 损损耗最低、强度和可靠性最高，应用最广泛耗最低、强度和可靠性最高，应用最广泛塑料包层光纤：塑料包层光纤：纤芯是石英，包层是硅树脂纤芯是石英，包层是硅树脂全塑光纤：全塑光纤：纤芯和包层均由塑料制成，其损耗较纤芯和包层均由塑料制成，其损耗较大，可靠性也不高大，可靠性也不高83n单模（单模（Single-ModeSingle-Mode）：）：长距离、大容量光纤通讯系统n多模（多模（Multi-ModeMulti-Mode）：）：中距离、中

47、容量的光纤通讯系统CoreCladdingCoating光纤的分类光纤的分类-按模式分类按模式分类84n阶跃折射率分布光纤阶跃折射率分布光纤 （阶跃光纤（阶跃光纤Step-Index Step-Index FiberFiber，SIFSIF ）n渐变折射率分布光纤渐变折射率分布光纤 （渐变光纤（渐变光纤Graded-Graded-Index FiberIndex Fiber，GIFGIF ）光纤的分类光纤的分类-按折射率分类按折射率分类85光纤的折射率分布光纤的折射率分布86n按按照照ITU-TITU-T关关于于光光纤纤类类型型的的建建议议，可可以以将将光光纤纤分分为为G.651G.651光光

48、纤纤(渐渐变变型型多多模模光光纤纤)、G.652G.652光光纤纤(常常规规单单模模光光纤纤)、G.653G.653光光纤纤(色色散散位位移移光光纤纤)、G.654G.654光光纤纤(截截止止波波长长光光纤纤)和和G.655G.655(非非零零色色散位移光纤散位移光纤)光纤光纤。n按按套套塑塑(二二次次涂涂覆覆层层)可可以以将将光光纤纤分分为为松松套套光纤光纤和和紧套光纤紧套光纤。n现现在在实实用用的的石石英英光光纤纤通通常常有有以以下下三三种种：阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤、渐渐变变型型多多模模光光纤纤和和阶阶跃跃型型单单模模光纤。光纤。光纤的分类光纤的分类-按按ITU-TITU-T分类分类

49、87光电子器件类型（通信）光电子器件类型（通信）光电子器件类型（通信）光电子器件类型（通信）有源有源有源有源激光器激光器光放大器光放大器探测器探测器光调制器光调制器波长转换器波长转换器光隔离器光隔离器光耦合器光耦合器光滤波器光滤波器光开关光开关光衰减器光衰减器色散补偿器色散补偿器偏振控制器偏振控制器偏振模补偿器偏振模补偿器无源无源无源无源88光纤和光缆光纤和光缆-实物实物89n n光源：发光二极管（光源：发光二极管（LEDLED）激光二极管（激光二极管（LDLD）n n光电检测器：光电检测器：PINPIN光电管、光电管、PIN-FETPIN-FET组件组件 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（AP

50、DAPD）n n光纤放大器（光纤放大器（EDFAEDFA）n n调制器调制器有源光器件有源光器件90 激光的亮度很高，把激光聚起来，可以产生激光的亮度很高，把激光聚起来，可以产生几千万度的高温，它可以溶解最难融化的金属；几千万度的高温，它可以溶解最难融化的金属；一根普通的电话线，只能同三路电话；一条一根普通的电话线，只能同三路电话；一条微波线路，可通十万路电话；而一条激光通讯线微波线路，可通十万路电话；而一条激光通讯线路，可以同一亿路电话；路，可以同一亿路电话；激光在传输过程中始终像一条笔直的线，一激光在传输过程中始终像一条笔直的线，一束激光射出束激光射出2020公里远，光斑只有茶杯口那么大。