光纤通信原理-光的性质.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光的性质,2.1,光的电磁理论,2.2,光的干涉,2.3,光的衍射,2.4,光的偏振,2.5,光的吸收、色散和散射,2.6,光的量子性,2.7,激光,2.1,光的电磁理论,1,波动基本方程,1865,年麦克斯韦在总结前人实验的基础上，得出麦克斯韦方程组，并预言电磁波的存在在无源空间可得到光在非磁性的、各向同性的极化介质中传输的波动方程式,2,亥姆霍兹方程,由麦克斯韦方程组的微分形式，可以推导真空中亥姆霍兹方程,3,电磁波的性质,真空中的电磁波具有以下性质：,(1),电磁波是横波,(2)E,和,H,同位相,(3)E,和,H,幅值成正比,(4),电磁波的传播速度与光相同，表明光波也是一种电磁波,(5),电磁场的能量和能流可以用能量密度和能流密度来描述,1,光的相干性,(1),光矢量,在光波中，产生感光作用与生理作用的主要是电场强度,E,，所以电矢量,E,称为光矢量2.2,光的干涉,(2),光的相干性,干涉现象是波动过程的基本特征之一由频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差保持恒定的两个相干波源所发出的波是相干波，在两束相干波相遇的区域里，有些点振动始终加强，有些点的振动始终减弱或完全抵消，即产生干涉现象。

光波也具有相干性,(3),获得相干光的基本方法,一般光源发出的光是不相干的，但是可以采用下列两种方法来获得相干光：,分波阵面法,分振幅法,2,杨氏双缝实验和洛埃镜实验,(1),杨氏双缝干涉,杨氏双缝实验是最早利用单一光源形成两束相干光，从而获得干涉现象的典型实验它是利用分波阵面法获得的2),洛埃镜实验,洛埃镜实验不但显示了光的干涉现象，而且还显示了当光由光疏媒质射到光密媒质并在其表面反射时，反射光的位相发生了变化3,薄膜干涉,(1),光程与光程差,折射率,n,与光波在该媒质中传播的几何路程,r,的乘积,nr,叫做光程两束相干光在不同媒质中传播时，对干涉加强,(,亮纹,),和减弱,(,暗纹,),条件起决定作用是这两束光的光程差2),薄膜干涉,在日常生活中，常常看到水面上的油膜或肥皂泡导在日光照射下出现美丽的花纹，这些都是,薄膜的干涉现象薄膜干涉原理在实际中的应用非常广泛，例如全反射膜、增透膜、干涉仪等都是利用薄膜干涉现象制成的如果入射光垂直照射：,满足,=2n2e+/2=k k=1,2,，,反射光的干涉加强满足,=2n2e+/2=,（,2k+1,）,/2 k=1,2,，,反射光的干涉减弱。

3),增透膜和增反膜,薄膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有两个方面：,一方面是利用薄膜反射时，使某些波长的光因干涉而减弱，以增加透射光的强度，这种薄膜称为增透膜；,另一方面是利用薄膜表面反射时，使某些波长的光因干涉而加强，以减少透射光的强度，这种薄膜称为增反膜4,法布里珀罗干涉仪,(1),法布里珀罗干涉仪的结构,法布里珀罗干涉仪简称,F,P,干涉仪它是由两块互相平行的平面玻璃板或石英板组成2),法布里珀罗干涉仪的性能参数,法布里珀罗干涉仪所产生的多光束等倾干涉条纹因其亮纹的宽度极窄，因此，它在光学上 是一种高分辨率的光谱仪器在光纤通信领域有广泛的应用F,P,干涉仪的性能参数有,:,正入射情况的透射波长和透射频率,自由光谱范围,FSR,分辨本领可以用,F,P,干涉仪能分开的最小波长差,min,表示min,越小，仪器的分辨能力就越大角色散,D,仪器的角色散是指单位波长间隔经分光仪器后所分开的角度其定义为,:D=d/d,角色散,D,愈大，不同波长的光经仪器后就分得愈开2.3,光的衍射,1,光的衍射现象,惠更斯菲涅耳原理,光波绕过障碍物而传播的现象叫做光的衍射现象按照光源、衍射物、接收屏三者的相互位置可把衍射分为两种：,当光源、接收屏与衍射物之间的距离有限时，这种衍射叫做菲涅耳衍射。

当光源、接收屏都距衍射物无限远时，这种入射光和衍射光都是平行光的衍射称为夫琅和费衍射单缝衍射条纹特点,单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明暗相间的直条纹，它们对称地分布在中央明纹两侧；,明纹亮度不均匀，中央明纹最亮，其它各级明纹的亮度将随着级数的增高而逐步减弱条纹宽度2,夫琅和费单缝衍射,3,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1),衍射光栅,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2),光栅衍射条纹的形成,光栅衍射条纹是衍射和干涉的总效果光衍射角,满足,(a+b)sin=,k k=0,1,2,(2-3-10),形成亮度很大的明条纹2.4,光的偏振,光的偏振现象证明了光是横波1,自然光和偏振光,(1),线偏振光,如果光矢量只沿一个固定的方向振动的光,(2),自然光,平均来看，光矢量对于光的传播方向呈轴对称均匀分布，没有任何一个方位更占优势，这种光称为自然光3),部分偏振光,自然光在传播过程中，由于外界的某种作用，造成各个振动方向上的强度不等，使某一方向,的振动比其他方向占优势，这种光叫作部分偏振光。

2,偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律,(1),偏振片,把具有选择吸收性的晶体,(,例如硫酸碘奎宁,),的细微晶粒涂在聚氯乙烯膜上，并沿某一方向拉伸薄膜，使细微晶粒沿拉伸方向整齐排列，然后将薄膜夹在两玻璃片之间，便制成了偏振片偏振片允许通过的光振动方向，这个方向称作偏振化方向，也叫透光轴从自然光获得偏振光的过程叫起偏检验偏振光的过程，称为检偏自然光入射到偏振片上，透射光满足：马吕斯定律：,I=I,0,cos,2,3,反射光和折射光的偏振儒斯特定律,(1),反射起偏 布儒斯特定律,自然光入射在两种各向同性介质的分界面上时，反射光和折射光都成为部分偏振光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2),折射起偏 玻璃片堆,自然光以起偏振角入射到两种介质界面时，折射光是以平行振动为主的部分偏振光射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆，它由多片平行玻璃片叠合在一起构成4,光的双折射现象,光在两种各向同性的媒质的分界面上折射,时，只有一束折射光线但是，当一束自然光折入各向异性晶体时，,例如光线进入方解石晶体后，会分裂成为,两束折射光线，它们沿不同方向折射，称,为双折射现象。

2.5,光的吸收、色散和散射,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，光强因为减弱现象吸收的线性规律为：,I=I,0,e,-l,(2),光的吸收与波长的关系,物质对某些波长的光具有选择吸收性,在无线通信中，就要考虑大气对电磁波的吸收问题光纤对于某种波长的光波也具有强烈的选择吸收性,(3),吸收光谱,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2,色散,(1),色散的概念,色散是介质的折射率,n,随光波波长,变化的现象,(2),正常色散,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3),反常色散,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3,散射,(1),光的散射,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2),线性散射,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3),非线性散射,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。

2.6,光的量子性,对光的量子性的认识导致了激光技术的发展，更导致了通信史上的革命1,黑体辐射和普朗克能量子假说,1900,年普朗克为了得到与实验相符合的公式，提出了著名量子假设,0,=h,(2-6-2),2,光电效应和爱因斯坦光量子假说,由于光的照射，使电子从金属中逸出的现象称为光电效应为了解释光电效应现象，爱因斯坦于,1905,年提出了光量子假说：光是由一粒粒运动着的光子组成的，每个光子具有确定的能量，只能作为一个整体被吸收或产生E=h (2-6-3),3,光的波粒二象性,它是指光在不同场合下表现出来两种同样属性：当光在空间传播时主要表现出波动性；当光与物质相互作用时，光的行为又表现出粒子性1924,年德布罗意在普朗克、爱因斯坦假说的基础上提出了物质波假说：一切实物粒子波动微粒二象性2.7,激光,激光,Laser,（,Light amplification by stimulated emission of radiation,），是指光的受激辐射放大1960,年梅曼研制了第一台激光器,红宝石激光器1,光和物质的相互作用,光和物质的相互作用有三个主要过程：,(1),自发辐射,(2),受激辐射,(3),受激吸收,(1),粒子数反转分布,要获得光放大，就必须有高能级粒子数,N,2,大于低能级粒子数,N,1,的分布，称为粒子数反转分布。

实现粒子数反转是产生激光的必要条件要形成粒子数反转，必须具备下述条件：,要有激活介质或增益介质其次，要有,激励或称为泵浦2,激光的形成,(2),粒子数反转的形成,对于不同类型的激光器，但激活介质必须由如下系统：,三能级系统,四能级系统,(3),光学谐振腔,产生激光必须选择传播方向和频率一定的某一光信号优先放大，而对其它光信号加以抑制通常在激活介质的两端放置互相平行的反射镜，称为光学谐振腔1),纵模,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纵模谱线的频宽为,c,激光的频宽为,3,激光的模式,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2),横模,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基模的光强分布均匀，有较好的空间相干性，是理想的横模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，都获得基模输出激光的模式,纵模和横模各从一个侧面反映了谐振腔内光场的稳定分布，两者统称为激光的模式。