光电子技术第二章第二节
- 格式：ppt
- 大小：1.46 MB
- 文档页数：26
下载文档原格式
合集下载
光电子技术(第5版)第二章 光辐射的传播
射。
2.1.1 大气衰减
2、大气分子散射
瑞利散射：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于
分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射，散射光的强
度与波长的四次方成反比，瑞利散射系数：
m 0.827 N A3 / 4
➢ 波长越长，散射越弱
➢ 波长越短，散射越强
2.1.1 大气衰减
3、大气气溶胶的衰减
对于可见光：/0.551，故有a=3.91/V (km)。
1.6
q
对于近红外光： 1.3
0.585V 1 / 3
(能见度很大时 )
(中等能见度 )
(当V 6km )
2.1.1 大气衰减
3、大气气溶胶的衰减
（2）雨和雪的衰减
雾与雨的差别不仅在于降水量的不同，更主要是雾粒子
和雨滴的尺寸有很大差别；
2、光束的弯曲和漂移——弯曲
dN
79 dP 79 P dT
c
2
dh
T dh T dh
在海平面条件下 ， P = 101325Pa ，dP/ dh=-12100Pa/ km ,T =
20 oC 时：
c 32.2+0.93dT / dh (m rad / km)
当dT/dh=-35C/km时，c=0，光束不发生弯曲；
= exp −
为水平传输距离， 可写成： = −
两边取对数得 ln a ln A q ln
可见(－q)是lna ~ln直线的斜率，q值可通过实验确定。据气象对能
见度V（km）的定义可得：
a (3.91/ V ) ( / 0.55) q
km和m：分子的吸收和散射系数；
2.1.1 大气衰减
2、大气分子散射
瑞利散射：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于
分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射，散射光的强
度与波长的四次方成反比，瑞利散射系数：
m 0.827 N A3 / 4
➢ 波长越长，散射越弱
➢ 波长越短，散射越强
2.1.1 大气衰减
3、大气气溶胶的衰减
对于可见光：/0.551，故有a=3.91/V (km)。
1.6
q
对于近红外光： 1.3
0.585V 1 / 3
(能见度很大时 )
(中等能见度 )
(当V 6km )
2.1.1 大气衰减
3、大气气溶胶的衰减
（2）雨和雪的衰减
雾与雨的差别不仅在于降水量的不同，更主要是雾粒子
和雨滴的尺寸有很大差别；
2、光束的弯曲和漂移——弯曲
dN
79 dP 79 P dT
c
2
dh
T dh T dh
在海平面条件下 ， P = 101325Pa ，dP/ dh=-12100Pa/ km ,T =
20 oC 时：
c 32.2+0.93dT / dh (m rad / km)
当dT/dh=-35C/km时，c=0，光束不发生弯曲；
= exp −
为水平传输距离， 可写成： = −
两边取对数得 ln a ln A q ln
可见(－q)是lna ~ln直线的斜率，q值可通过实验确定。据气象对能
见度V（km）的定义可得：
a (3.91/ V ) ( / 0.55) q
km和m：分子的吸收和散射系数；
光电子技术讲义
光辐射与发光源
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光 辐射探测器，所以光辐射和光电转换的原理是光电子技术的基本研究内容之一。 本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典 型光辐射源。
1.1 电磁波谱与光辐射
1.电磁波的性质与电磁波谱
ρ
光使电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场
M vλb (T )
=
C1 λ5
1 eC2 / λT
(W/cm ⋅ μm) −1
C1 = (3.741832 ± 0.000020) ×10−12 W ⋅ cm2 C2 = (1.438786 ± 0.000045) ×104 μm ⋅ K
第一辐射常数， 第二辐射常数。
(1.3-4)
图 4 为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。 可见：
⑴对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不 同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出 射度（即曲线下的面积）。
7
⑵单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。 ⑶单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。
单 色 辐射 出射 度 Mvλb(W/cm2μm)
在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是 只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用 于整个电磁波段。
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的 不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。
以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一 一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量， 角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位 体系中的物理量可对比理解。
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光 辐射探测器，所以光辐射和光电转换的原理是光电子技术的基本研究内容之一。 本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典 型光辐射源。
1.1 电磁波谱与光辐射
1.电磁波的性质与电磁波谱
ρ
光使电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场
M vλb (T )
=
C1 λ5
1 eC2 / λT
(W/cm ⋅ μm) −1
C1 = (3.741832 ± 0.000020) ×10−12 W ⋅ cm2 C2 = (1.438786 ± 0.000045) ×104 μm ⋅ K
第一辐射常数， 第二辐射常数。
(1.3-4)
图 4 为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。 可见：
⑴对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不 同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出 射度（即曲线下的面积）。
7
⑵单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。 ⑶单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。
单 色 辐射 出射 度 Mvλb(W/cm2μm)
在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是 只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用 于整个电磁波段。
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的 不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。
以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一 一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量， 角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位 体系中的物理量可对比理解。
光电子技术全套课件
光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
开腔的损耗及其描述
光子在腔内的平均寿命
无源谐振腔的Q值 无源腔的本征振荡模式带宽
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术 精品课程
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
光电子技术 精品课程
激 光 原 理
第二章 光腔理论的一般问题
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
§1 腔与模
光腔的构成和分类
模的概念
腔的作用
光电子技术精品课程
§1 腔与模
光电子技术精品课程
§2 共轴球面腔的稳定性条件
传输矩阵
共轴球面腔的稳定性条件
§7 方形镜共焦腔的自再现模
光电子技术精品课程
§8 方形镜共焦腔的行波场
厄米 - 高斯光束
振幅分布和光斑尺寸
模体积
等相位面的分布
远场发散角
光电子技术精品课程
§8 方形镜共焦腔的行波场
光电子技术精品课程
光电子技术课件二：激光原理和技术
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：
1
(1) E h
h ； 2
(2)m
E c
14
自发辐射的功率为：
I ( ) E ( )
2
2 E0 2 2
2 4 ( 0 ) 2
总功率为：
I
I ( )d
2 E0
d
4 2 ( ) 2 0
2
2
2 E0
所以：
g n ( )
4 2 ( 0 ) 2
13
（2）均匀展宽的分析 自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致 它在受激能级上的寿命有限形成的。
E (t ) E0e e j 2 0t
t E(t ) E0e 2 e j 2 0t
t
2 其中
由傅立叶变换得其频谱分布为：
[ j 2 ( 0 )]t E (v) E (t )e j 2 t dt E0 e 2 dt 0 0
其中( c ) u , ( c ) l 分别为上下激 发能级Eu , El的 碰撞时间。
17
自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数 合称为均匀展宽的线型函数，表示为：
g H ( ) H 2 [( 0 ) 2 ( H 2 )2 ]
12
（1）受激辐射下光谱线展宽的类型
1
(1) E h
h ； 2
(2)m
E c
14
自发辐射的功率为：
I ( ) E ( )
2
2 E0 2 2
2 4 ( 0 ) 2
总功率为：
I
I ( )d
2 E0
d
4 2 ( ) 2 0
2
2
2 E0
所以：
g n ( )
4 2 ( 0 ) 2
13
（2）均匀展宽的分析 自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致 它在受激能级上的寿命有限形成的。
E (t ) E0e e j 2 0t
t E(t ) E0e 2 e j 2 0t
t
2 其中
由傅立叶变换得其频谱分布为：
[ j 2 ( 0 )]t E (v) E (t )e j 2 t dt E0 e 2 dt 0 0
其中( c ) u , ( c ) l 分别为上下激 发能级Eu , El的 碰撞时间。
17
自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数 合称为均匀展宽的线型函数，表示为：
g H ( ) H 2 [( 0 ) 2 ( H 2 )2 ]
12
（1）受激辐射下光谱线展宽的类型
光电子技术复习要点
第一章 绪论1. 光电子技术（optoelectronic technology ）准确地应该称为信息光电子技术，是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。
2. 本课程主要讲了四大部分分别是：激光光源、光波的传输、光波的调制与控制、光波的探测。
第二章 激光原理与半导体光源1. 世界上第一台激光器是1960年梅曼制作的红宝石激光器。
2. 原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光的发射过程；而从低能级向高能级跃迁时，相当于光的吸收过程；两个相反的过程都满足玻尔条件：n m n m E E h E E hνν-=-=或。
3. 处于热平衡状态的原子体系，设其热平衡绝对温度为T ，则原子体系的各能级上粒子数目的分布将服从波尔兹曼分布律：exp(/)n n N E kT ∝-，其中N n 为在能级E n 上的粒子数，k 为波尔兹曼常数， k=1.3807×10-23 J·K -1。
即，随着能级增高，能级上的粒子数N n 按指数规律减少。
4. 爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。
该文提出的受激光辐射理论是激光理论的核心基础。
在这篇论文中，爱因斯坦将光与物质的作用分为三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。
5. 在二能级系统中，粒子在高能级E 2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命6. 下面三个图分别描述了二能级系统中光与物质的作用的三种过程：它们可以由下面三个方程描述：对于受激辐射过程（E2→E1 ）：21212()dN B u v N dt= 对于受激吸收过程（E1→E2）：12121()dN B u v N dt= 对于自发辐射过程（E2→E1 ）：21212dN A N dt = 其中u(v)为辐射场中单色辐射能量密度：()()30348(),exp 1h u v T c c hv kT πνγν==-7. 二能级系统中，当（N 2/N 1）＞1时，高能级E 2上的粒子数N 2大于低能级E 1上的粒子数N 1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况，它是形成激光的必要条件之一。
光电子学完整PPT课件
第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 光波的探测与解调
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
《光电子技术》全册完整教学课件
2022/2/28
欧洲光电子技术发展
• 发展概况：
法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计 划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的 马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家 级光电子研究基地——光谷。 德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德 国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键 技术之一”。 欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立 了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光 电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应 对全球光电产业的竞争。
电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、
三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本
电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求
预 测 结 果 显 示 ， 2010 年 ， 日 本 国 内 生 产 需 求 为
122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率
为10.1%。
2022/2/28
• 第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技 术的应用为代表， 开创了人类信息时代
2022/2/28
信息技术的发展趋势
• 第一阶段——电子信息技术 电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其 在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为 代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命 （微型化） 其特征是：信息的载体是电子 代表：半导体，计算机等
• 课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学 时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合 ，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领 域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思 维。
2022/2/28
光电子技术的主要内容
光产生：产生光源
光调制： 将信息加载到光源
欧洲光电子技术发展
• 发展概况：
法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计 划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的 马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家 级光电子研究基地——光谷。 德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德 国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键 技术之一”。 欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立 了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光 电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应 对全球光电产业的竞争。
电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、
三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本
电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求
预 测 结 果 显 示 ， 2010 年 ， 日 本 国 内 生 产 需 求 为
122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率
为10.1%。
2022/2/28
• 第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技 术的应用为代表， 开创了人类信息时代
2022/2/28
信息技术的发展趋势
• 第一阶段——电子信息技术 电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其 在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为 代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命 （微型化） 其特征是：信息的载体是电子 代表：半导体，计算机等
• 课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学 时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合 ，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领 域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思 维。
2022/2/28
光电子技术的主要内容
光产生：产生光源
光调制： 将信息加载到光源
光电子技术第二章-文档资料
16
能级的寿命
粒子在E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能 级上的平均寿命，简称寿命。
上式表明，N2减少的快慢与A21有关。自发辐射 系数A21愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同 时间t后，留在E2上的粒子数N2就愈少。令 τ=1/A21 τ反映粒子平均在E2能级上的寿命。 它恰好是E2上粒子数减少为初始时的1/e 约 （36%）所用的时间。
基态：能级 中能量最低
E1 E2
E3
激发态
8
激光的基本原理、特性和应用 ——粒子数正常分布
波尔兹曼分布律：
若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数 目的分布将服从一定的规律。设T 为原子体系
的热平衡绝对温度；Nn为在能级En上的粒子数则
N exp( E / kT ) n n
( 2 . 2 )
dN 21 A N2 21 dt
14
三种跃迁过程(自发辐射)
A21——称为爱因斯坦系数，它可以理解为每 一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发 跃迁的几率。 自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激 励无关的过程，即A21只由原子本身性质决定。 假设E2能级只向E1能级跃迁，则
积分后得： N N exp A t 2 2 0 21
dN dN A N dt 2 21 21 2
15
三种跃迁过程(自发辐射)
N N exp A t N exp t / 2 2 0 21 2 0
式中N20 为t＝0 时刻E2 能级上的粒子数， τ=1/A21 τ反映粒子平均在E2 能级上的寿命。由 上式可知，自发跃迁过程使得高能级上的原子 以指数规律衰减。 自发辐射所发出的光称为荧光。
光电子技术课件二激光原理和技术
其他非线性光学效应简介
光学整流
光学整流是指利用非线性光学效应将交流光信号转换为直 流电信号的过程。它在光通信、光计算等领域有潜在应用 。
光学参量振荡（OPO）
OPO是一种基于非线性光学效应的频率转换技术，可以实 现宽调谐范围、高效率的激光输出。它在激光雷达、光谱 学等领域有广泛应用。
四波混频（FWM）
工作原理
通过电流注入半导体芯片，使芯片内的电子和空穴复合并释放出能 量，形成激光振荡并输出激光。
特点
具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、 工业加工等领域。
03
激光束特性及参数测 量
激光束空间分布特性
高斯光束
基模高斯光束是激光束的 典型空间分布形式，具有 中心光强最大、向外逐渐 减小的特点。
相位调制与解调方法
相位调制
通过改变激光束的相位来加载信息。这通常使用电光调制器（如Pockels效应调制器）来实现。
相位解调
从接收到的激光信号中提取相位变化的信息。常见的方法包括使用干涉测量技术，如Mach-Zehnder干涉仪或 Michelson干涉仪。
05
非线性光学效应在激 光技术中应用
二次谐波产生（SHG）原理及应用
02
激光器结构与工作原 理
固体激光器
固体激光器的构成
特点
通常由激光工作物质、泵浦源、光学 谐振腔等部分组成。
具有体积小、重量轻、效率高、寿命 长等优点，广泛应用于科研、工业、 医疗等领域。
工作原理
通过泵浦源提供能量，使激光工作物 质中的粒子实现粒子数反转，然后在 光学谐振腔的作用下，产生激光振荡 并输出激光。
新型高功率高能量密度激光技术
随着新型激光材料、新型激光器等技术的不断发展，高功率高能量密度激光技术将不断取 得新的突破。
光电子技术第二章第二节
A i (t kr ) E e r
A * I EE r
2
如果观察点远离光源，且在小范 围内，球面波可视为平面波。
球面光波示意图
3. 柱面光波 一个各向同性的无限长线光源，向外发射的波是柱面光 波， 其等相位面是以线光源为中心轴、随着距离的增大而逐 渐扩展的同轴圆柱面， 如图所示。 当 r 较大(远大于波长)时， 其单色柱面光波场解的表示式 为
E E E0 e
E0 e
E0
任意描述真实存在的物理量的参量都应当是实数，采用复数 形式只是数学上运算方便的需要。 对复数形式的量进行线性 运算，只有取实部后才有物理意义。此外， 由于对复数函数 exp［-i(ωt-kz)］与exp［i(ωt-kz)］两种形式取实部得到相同的 函数，因而对于平面简谐光波，采用exp［-i(ωt-kz)］和exp ［i(ωt-kz)］两种形式完全等效。因此，可以采取其中任意一 种形式。
2 2 2 0 I ( , z ) A0 e xp 2 (z) (z)
2
轴上的光强随着z的增加而减小，即
2 0 A0 2 I (0, z ) A0 1 ( z / z )2 (z) 0 2
（2）光束半径与发散角： 光束半径：由中心振幅值下降到1/e点所对应的宽度，定义为 2 光斑半径 ： w 2 (z) z 2 z
学性质的一个很重要的参量。 此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质，εr 或n都是频率的
函数， 具体的函数关系取决于介质的结构。
2.2.4 光波的能流密度 为了描述电磁能量的传播，引入能流密度——玻印亭矢量 S，它定义为单位时间内，通过垂直于传播方向上的单位面积 的能量，表达式为 S E H 对于沿z方向传播的平面光波，光场表示为： E=exE0cos(ωt-kz), 光波的能流密度S为 因为平面光波场有： H=hyH0cos(ωt-kz)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
例如，一束105 W的激光，用透镜聚焦到1×10-10 m2的面积上， 则在透镜焦平面上的光强（功率密度）约为
105 I 10 1015 W/m2 10
相应的光电场强度振幅为
2 cI E0 0 n
1/ 2
0.87 109 V/m
这样强的电场，能够产生极高的温度，足以将目标烧毁。 在有些应用场合，由于只考虑某一种介质中的光强，只关 心光强的相对值，因而往往省略比例系数，把光强写成： I=〈E2〉=E20 如果考虑的是不同介质中的光强， 比例系数不能省略。
1 T S S dt T 0 将S表达式代入， 进行积分，可得：
1 n 2 1 2 2 I S E0 E0 E0 2 0 c 2 0
n 20c
/ 0
2
由此可见，光强与电场强度振幅的平方成正比。 通过测 量光强，便可计算出光波电场的振幅E0。
2.3 光波的表示 2.3.1光波的电磁表示 根据光场解的形式的不同，光波可分类为平面光波， 球 面光波，柱面光波或高斯光束。 首先说明，光波中包含有电场矢量和磁场矢量，从波的 传播特性来看，它们处于同样的地位，但是从光与介质的相 互作用来看，其作用不同。在通常应用的情况下，磁场的作 用远比电场弱，甚至不起作用。实验证明，使照相底片感光 的是电场，不是磁场；对人眼视网膜起作用的也是电场，不 是磁场。 因此，通常把光波中的电场矢量E称为光矢量，把电场E 的振动称为光振动，在讨论光的波动特性时，只考虑电场矢 量E即可。
学性质的一个很重要的参量。 此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质，εr 或n都是频率的
函数， 具体的函数关系取决于介质的结构。
2.2.4 光波的能流密度 为了描述电磁能量的传播，引入能流密度——玻印亭矢量 S，它定义为单位时间内，通过垂直于传播方向上的单位面积 的能量，表达式为 S E H 对于沿z方向传播的平面光波，光场表示为： E=exE0cos(ωt-kz), 光波的能流密度S为 因为平面光波场有： H=hyH0cos(ωt-kz)
2 2 t 2
应用： 对于高频低电导无源材料，得到 2 2 2 2 2 2 E n E 0， H n H 0
除铁磁性介质外，大多数介质的磁性都很弱，可以认为
折射率表示为： n
c
r r
μr≈1。折射率也描述光在介质中传播的快慢， 是表征介质光
(4)非线性介质 P 与 E 的关系不只与 E 的一次项有关，也与它的高次项有关。
2.2.3 波动方程 对于线性，均匀，各向同性的电介质：
P x 0 E，n 1 x
2 2
1. 时域波动方程
n E J s E 1 2 0 电场方程： E 2 2 0 c t t t
(3)各向同性 E 与 P 平行 P 与 E 的关系与矢量 E (r , t ) 的取向无关，
2 电介质的分类
(1)简单电介质 线性，均匀，各向同性，非色散。
(2)非均匀介质 只是非均匀， P与 E 的关系与 r 有关。不同 r 处的极化率不 同，折射率n不同。 (3)各向异性介质 P 与 E 的方向不一致。 P 与E 的关系与 E 的取向有关。不 同方向的极化率不同，折射率不同。这种介质中某些方向容 易极化些，另一些则较难极化。
2 2
c 1 / 0 0 (2.99793458 0.000000012) 108 m/s
2. 频域波动方程 在时谐条件下：
E ( x , y, z , t ) E ( x , y, z )e it
j t
H ( x , y, z , t ) H ( x , y, z )e it
S sz E0 H0 cos2 (t kz)
式中的ex、hy是电场、磁场振动方向上的单位矢量。
E0 H 0
1
利用 0 r， 0 r，c S可写为
0 0
，r 1，n r
n 2 S sz E0 cos 2 (t kz ) 0 c
平面光波的能量沿z方向以波动形式传播。光的频率很高， S 的大小随时间的变化很快。光探测器的响应时间较慢，例 如光电二极管仅为10-8~10-9 s，远远跟不上光能量的瞬时变化， 只能给出 S 的平均值。所以，在实际应用中都利用能流密度 的时间平均值〈S〉表征光电磁场的能量传播，并称〈S〉为 光强，以I表示。假设光探测器的响应时间为T，则：
2 2 n H H 2 磁场方程： H 2 2 0 J s c t t
对于非导电、无磁性介质（大多数属于该情况）： 波动方程：
n E 2 E 2 0 2 c t
2 2
n H 2 H 2 0 2 c t
1. 平面光波 (1) 单色平面光波的三角函数表示 可以采取不同的具体函数表示。最简单、最普遍采用的是 三角函数形式，即 E=Acos(ωt-kz)+Bsin(ωt+kz) 若只计沿+z方向传播的平面光波，其电场表示式为
t z z E eE0 cos(t kz ) eE0 cos t eE0 cos 2 v T
2.2.2 电介质 电极化：形成宏观束缚电荷的现象。 电介质：能产生电极化的物质。 1. 电介质的特性 极化强度： P 与E 的关系不同，介质就呈现不同的特性。
1 P 与 E 是线性关系 p 0 E 0 E
(1) 线性特性 介质折射率
(2)均匀性 P 与 E 的关系与位臵无关，在任何一处的极化率都是常数