光学与光子学概述主讲人：何苗 教授华南师范大学光电子材料与技术研究所主 要 内 容v一、一、关于光的认识v二、二、光辐射的电磁理论v三三、光的干涉v四、光的衍射v五五、光的偏振v六、光的吸收、散射和色散 v七、七、光在大气中的传播v八、现代光学基础 一、关于光的认识一、关于光的认识v17世纪 微粒说v18世纪 波动说v19世纪 电磁波v20世纪 波粒二象性 二二 光辐射的电磁理论光辐射的电磁理论 光辐射是电磁波，它服从电磁场基本规律（麦克斯韦方程和介质性能方程）。 由于引起生理视觉效应、光化学效应以及探测器对光频段电磁波的响应主要是电磁场量中的电矢量，因此，光辐射的电磁理论主要是应用麦克斯韦方程求解光辐射场电矢量的变化规律。1、 光光辐射的波射的波动方程方程 在无源（=0）非磁性介质中，运用麦克斯韦方程并经一系列数学运算可以得到场量所满足的微分方程 ：(1) 这就是光辐射普遍形式的波动方程。 方程右边两项反映物质对光辐射场量的影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流引起。 2、均匀介均匀介质中的平面波和球面波中的平面波和球面波 对于各向同性的无吸收介质， 为标量， ， 利用矢量恒等式 ，亥姆霍兹方程可改写为 ：(2) (3) 此方程平面波解的一般形式为 此方程球面波解的一般形式为 (4) 式k中为波矢量，0为初相。 3 3、电磁场的边界条件电磁场的边界条件 在光电子技术的许多实际应用中，经常涉及在两种或多种物理性质不同的介质交界面（在该处、发生突变）处光辐射场量之间的关系。这时，求解麦克斯韦方程需要考虑边界条件。 如图1所示，光辐射场的边界条件可以直接由麦克斯韦方程推得： (5)式中s为界面面电荷密度。 在光学波段经常遇到的情况是s等于零，这时，界面两侧的切向分量以及的法向分量均连续。 EtEn1，1，12，2，2图1 界面上电场的法向和切向分量三、光的干涉v1. 基本概念v光的电磁理论v 光是某一波段的电磁波， 其速度就是电磁波的传播速度；可见光在电磁波谱中只占很小的一部分，波长在 390 760 nm 的狭窄范围以内。v相干条件v 频率相同、振动方向相同、相位差恒定。v干涉的分类v分波面干涉、分振幅干涉和分振动面干涉。 四、光的衍射v1. 基本概念v 衍射定义v 光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象。v 衍射条件 障碍物的线度和光的波长可以比拟v 衍射的分类 a. 菲涅耳衍射：近场、求和、点光源。 b. 夫琅和费衍射：远场、积分、平行光。五、光的偏振 五种偏振态自然光： 透过理想偏振片后，光强变为原来的一半。 线偏振光： 部分偏振光： 圆偏振光：椭圆偏振光：六、光的吸收、散射和色散 v 1.光的吸收：v 朗伯定律。v 2.光的散射：v 瑞利定律v （ 天空、太阳、白云）v v 3.光的色散：七七 光波在大气中的传播光波在大气中的传播 大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。 由于大气构成成分的复杂性以及收受天气等因素影响的不稳定性，光波在大气中传播时 ，大气气体分子及气溶胶的吸收和散散射会引起的光束能量衰减，空气折射率不均匀会引起的光波的振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性，因此有必要研究激光大气传播特性。 1 1、大气衰减大气衰减 激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间重新分配）。吸收和散射的总效果使传输光辐射强吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。度的衰减。 dIdI/I/I= =(I(I - -I I)/)/I I= = dldl 为大气衰减系，在应用中，衰减系数常用单位为（1/km）或（dB/km），二者之间的换算关系为： (dB/km)=4.343 (1/km)Idl图2上式积分后得大气透过率 ： (6) 简化为： (7) 此即为描述大气衰减的大气衰减的朗伯定律，表明朗伯定律，表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。 因为衰减系数描述了吸收和散射吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响对传播光辐射强度的影响，所以可表示为 ： (8) km和和 m分别为分子的吸收和散射系数；分别为分子的吸收和散射系数； ka和和 a分别大气气溶胶的吸收和散射系数。分别大气气溶胶的吸收和散射系数。对大气衰减的研究可归结为对上述四个基本对大气衰减的研究可归结为对上述四个基本衰减参数的研究。衰减参数的研究。 1）、大气分子的吸收 光波在大气中传播时，大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。极性分子的内部运动一般有分子内电电子子运运动动、组成分子的原原子子振振动动以及分子绕其质量中心的转转动动组成。相应的共振吸收频率分别与光波的紫紫外外和可可见见光光、近近红红外外和中红外中红外以及远红外远红外区相对应。由此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。由此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。 大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。在可见光和近红外区，一般不考虑其吸在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。收作用。 大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但其大气中的含量甚微，一般不考虑其吸收作用。只是在高空其大气中的含量甚微，一般不考虑其吸收作用。只是在高空处，其它衰减因素都很弱时，才考虑它们吸收作用。处，其它衰减因素都很弱时，才考虑它们吸收作用。 H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，是可见光和近红外区最重要的吸是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。 表1： 可见光和近红外区主要吸收谱线吸收分子主要吸收谱线中心波长(m)H2O0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.66 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3CO21.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4O24.7 9.6 从表1不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出极为强对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。烈的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为为“大气窗口大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。 2）、）、 大气分子散射大气分子散射 大气中总存在着局部的密度与平均密度统计性的偏离密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，一部分光辐射光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的散射。 在可见光（0.40-0.76 m ）和近红外波段，辐射波辐射波长总是远大于分子的线度，长总是远大于分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射瑞利散射。瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比。 (9) 式中，m为瑞利散射系数（cm-l）；N为单位体积中的分子数（cm-1）；A为分子的散射截面（cm2）；为光波长（cm）。 由于分子散射波长的四次方成反比。波由于分子散射波长的四次方成反比。波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光散射强烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因散射强烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因为蓝光散射最强此瑞利散射是主要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。烈，故明朗的天空呈现蓝色。 2、大气气溶胶的衰减、大气气溶胶的衰减 大气气溶胶的概念：大气气溶胶的概念：大气中有大量的粒度在 0.03 m到2000 m之间的固态和液态微粒，它们大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，所以通常又称为大气气溶胶。 气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射和吸收散射和吸收。 当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米-德拜散射。米米-德拜散射则主要依赖于散射粒子德拜散射则主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射强烈（可以近似认为与波长无关）不如瑞利散射强烈（可以近似认为与波长无关）。 气溶胶微粒的尺寸分布极其复杂，受天气变化的影响也十分大，不同天气类型的气溶胶粒子的密度及线度的最大值列于表2中。表2 霾、云和降水天气的物理参数 天气类型N (cm-3)amax (m)气溶胶类型霾M100 cm-33海上或岸边的气溶胶霾L100 cm-32大陆性气溶胶霾H100 cm-30.6高空或平流层的气溶胶雨M100 cm-33000小雨或中雨雨L1000 m-32000大雨冰雹H10 m-36000含有大量小颗粒的冰雹积云C.1100 cm-315积云或层云、雾云C.2100 cm-37有色环的云云C.3100 cm-33.5贝母云云C.4100 cm-35.5太阳周围的双层或三层环的云1、光子的基本特性、光子的基本特性爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量子假说,提出了光量子理论:光是一种以光速运动的光子流,光子和其它基本粒子一样,具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：八、八、 现代光学基础(4)(4)、光子具有两种可能的独立偏振态，对应 于光波场的两个独立偏振方向；(5)、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。（电子的自旋量子数为 ，是费米子。）v2.原子发光机理 v玻尔的氢原子模型 ：Si(111)-7x7Si(111)-7x7表面的原子力显微镜照片表面的原子力显微镜照片 原子发光机理受激吸收概率：受激吸收概率：为爱因斯坦吸收系数为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度为辐射场能量密度 为为E1能级上的原子数密度能级上的原子数密度,（a) 受激吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态。(b) 自发辐射自发辐射 光子能量：光子能量：自发跃迁概率：自发跃迁概率：单位时间、单位体积内，单位时间、单位体积内， 上粒子的减少为：上粒子的减少为：于是有：于是有：为为 自发辐射寿命。自发辐射寿命。处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只自发辐射只与原子本身性质有关，与原子本身性质有关，与辐射场的与辐射场的 无无关）关） 。 (c) 受激辐射受激辐射受激辐射的概率：受激辐射的概率：称为爱因斯坦受激发射系数。称为爱因斯坦受激发射系数。处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射辐射出一个与入射光子完出一个与入射光子完全一样的光子全一样的光子。受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性相干性。3. 激 光v定义：v 由激光器产生的，波长在1mm以下的相干电磁辐射，它由物质的粒子受激发射放大产生，具有良好的单色性、相干性和方向性。v含义：v 光受激辐射放大。“激光”“Laser”“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”. 原理： 通过辐射的受激发射而实现光放大。特点：v单色性佳：v 频宽： 自然线宽： 多普勒宽度： 谱线宽度： v相干性强：v 相干长度：lH = c tH 。v 迈克耳孙干涉仪光的时间相干性；v 杨氏实验光源的空间相干性。v方向性好：发散角小亮度高、照度大。种类：v亦可按激光器工作方式、激励方式及谐振腔 等分。v总之，不管怎样分，每一类都包括许多激光器。按激光器工作物质性质分v4.非线性光学v 物质对光场的响应与光的场强成线性关系线性光学；物质对光场的响应与光的场强为非线性关系非线性光学，即： 强光与物质的相互作用；二阶非线性；三阶非线性；受激拉曼散射（红、紫伴线）；光混频（倍、和、差）；激光自聚焦；光学相位共轭；光学双稳态；光学混沌；超快过程5.全息照相v 定义：v 既能记录光波振幅的信息，又能记录光波相位信息的摄影。v 注意：普通摄影（照相、电影、电视等）只记录物体的振幅（强度）信息。v 原理：v 双光束干涉。 特点：a. 它是一个十分逼真的立体像。它和观察到的实物完全一样，具有相同的视觉效应。 b. 可以把全息照片分成若干小块，每一块都可以完整地再现原来的物像（孙悟空似的分身术）。 c. 同一张底片上，经过多次曝光后，可以重叠许多像，而且每一个像又能不受其他像的干扰而单独地显示出来，即一张底板能同时记录许多景物。 d. 全息照片易于复制。祝大家：v 身体健康，v 精神愉快，v 读研顺心，v 成绩如意！