光电子技术课程ppt.ppt

《光电子技术课程ppt.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电子技术课程ppt.ppt（86页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识自由电子激光武器自由电子激光武器葡萄牙建世界上最大太阳能发电厂葡萄牙建世界上最大太阳能发电厂第一页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识第二页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识 对于光辐射的探测和计量，存在对于光辐射的探测和计量，存在辐射度单位辐射度单位和和光度单位光度单位两套不两套不同的体系。同的体系。辐射量辐射量n

2、特点：只与辐射客体有关特点：只与辐射客体有关n基本量：辐射通量、辐射能。基本量：辐射通量、辐射能。n单位：单位：W W或或J/sJ/s、J Jn适应范围：整个电磁波段适应范围：整个电磁波段光度量光度量n特点：与人眼的视觉特性有关特点：与人眼的视觉特性有关n基本量：发光强度基本量：发光强度n单位：单位：CdCdn适应范围：可见光，波长范围为适应范围：可见光，波长范围为380380780nm780nm纳米纳米第三页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识1.2.1 1.2.1 辐射量辐射量1.辐射能(Qe)：以

3、辐射形式发射或传输的电磁波能量，单位是焦耳(J)。下标下标e e表示辐射度物理量表示辐射度物理量下标下标 表示光度物理量表示光度物理量第四页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识1.2.1 1.2.1 辐射量辐射量1.辐射能(Qe)：以辐射形式发射或传输的电磁波能量。单位：焦耳(J)。2.辐射通量(e)：单位时间内流过的辐射能量，又称辐射功率。单位：瓦特(W)，焦耳/秒(J/s)。第五页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学

4、基本知识1.2.1 1.2.1 辐射量辐射量3.辐射出射度(Me)：辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，反映物体的辐射能力。单位：瓦特/米2(W/m2)。第六页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识1.2.1 1.2.1 辐射量辐射量3.辐射出射度(Me)：辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，反映物体的辐射能力。单位：瓦特/米2(W/m2)。4.辐射强度(Ie)：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。单位：瓦特.球面度-1(W.sr-1)。第七页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章

5、 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识1.2.1 1.2.1 辐射量辐射量3.辐射出射度(Me)：辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，反映物体的辐射能力。单位：瓦特/米2(W/m2)。4.辐射强度(Ie)：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。单位：瓦特.球面度-1(W.sr-1)。如果一个放在各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射量为e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，即第八页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识1

6、.2.1 1.2.1 辐射量辐射量S d dSd 辐射亮度示意图辐射亮度示意图5.辐射亮度(Le)：辐射亮度是描述扩展源最重要、最常用的物理量。其定义为，扩展源在某一方向的辐射亮度，就是扩展源在该方扩展源在某一方向的辐射亮度，就是扩展源在该方向上的单位投影面积向单位立体角发射的辐射通量向上的单位投影面积向单位立体角发射的辐射通量。单位：瓦特/球面度-1.米2(W/sr.m2)。第九页，编辑于星期六：十六点三十二分。可见辐射亮度是均匀的。余弦辐射体余弦辐射体余弦辐射体的亮度余弦辐射体的亮度一般辐射体的辐射强度与空间方向有关，若辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足dIe=dIe0cos(Ie0是

7、面元dS沿其法线方向的辐射强度)，则称为余弦辐射体。第第1章章 光电技术基础光电技术基础 1.1 光辐射的度量光辐射的度量S d dSd 辐射亮度示意图辐射亮度示意图第十页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识1.2.1 1.2.1 辐射量辐射量6.辐射照度(Ee)：照射在接收面元上的辐射通量de与该面元的面积dA之比。单位：瓦特/米2(W/m2)。均匀点光源在空间中任一点的辐射照度与辐射强度成正比，均匀点光源在空间中任一点的辐射照度与辐射强度成正比，与距离平方成反比。与距离平方成反比。第十一页，编辑于星

8、期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识1.2.1 1.2.1 辐射量辐射量7.单色辐射度量(光谱辐射分布)：辐射量在波长处的单位波长间隔内的大小，又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波长的变化率。如：单色辐射通量如：单色辐射出射度第十二页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.辐射能辐射能(Qe)：以辐射形式发射或传输的电磁波能量。单位：焦耳：以辐射形式发射或传输的电磁波能量。单位：焦耳(J)。2.辐射通量辐射通量(e)：单位时间内流过的辐射能量，又称：单位时间内流过的辐射能量，又称辐射功率辐射功率。单位：。单位：瓦特瓦特

9、(W)，焦耳，焦耳/秒秒(J/s)。3.辐射出射度辐射出射度(Me)：辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，反：辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，反映物体的辐射能力。单位：瓦特映物体的辐射能力。单位：瓦特/米米2(W/m2)。4.辐射强度辐射强度(Ie)：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。单位：瓦特射通量。单位：瓦特.球面度球面度-1(W.sr-1)。5.辐射亮度辐射亮度(Le)：扩展源在某一方向的辐射亮度，就是扩展源在该方：扩展源在某一方向的辐射亮度，就是扩展源在该方向上的单位投影面积向单位立体角发射的辐射通量。单位：向上的

10、单位投影面积向单位立体角发射的辐射通量。单位：W/(sr.m2)。6.辐射照度辐射照度(Ee)：照射在接收面元上的辐射通量：照射在接收面元上的辐射通量d e与该面元的面积与该面元的面积dA之比之比。单位：瓦特。单位：瓦特/米米2(W/m2)。7.单色辐射度量单色辐射度量：单位波长间隔内对应的辐射度量。：单位波长间隔内对应的辐射度量。1.2.1 1.2.1 辐射量辐射量第十三页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.2.2 1.2.2 光度量光度量1.人眼的视觉特性人眼的视觉特性(1)人眼能在相当大的视场亮度范围内适应；人眼能在相当大的视场亮度范围内适应；(2)人眼的视细胞有椎状细胞和杆状细胞两种；

11、人眼的视细胞有椎状细胞和杆状细胞两种；(3)人眼对不同波长的光具有不同的灵敏度；人眼对不同波长的光具有不同的灵敏度；(4)人眼具有有限的分辨力，并且与视角有关；人眼具有有限的分辨力，并且与视角有关；第十四页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识1.2.2 1.2.2 光度量光度量2.光度量单位体系光度量单位体系是一套反映视觉亮暗特性的辐射计量单位。对应辐射度学的基本单位，光度学中分别如下单位描述。辐射能(Qe)辐射通量(e)辐射出射度(Me)辐射强度(Ie)辐射亮度(Le)辐射照度(Ee)，光量(Q)光通

12、量()光出射度(M)发光强度(I)(光)亮度(L)(光)照度(E)第十五页，编辑于星期六：十六点三十二分。光度量的所有单位是由光强度的基本单位推导出来的。CIPM规定，光强度的单位是坎德拉光强度的单位是坎德拉(Cd)，其定义是“一个光源发出频率为5401012Hz的单色辐射，若在一定方向上的辐射强度为1/683W.sr-1，则该光源在该方向上的光强度为1Cd。第十六页，编辑于星期六：十六点三十二分。3.辐射度量与光度量之间的关系：单色光视效能(K)：同一波长下测得的光度量与辐射度量之比。单位：流明.瓦-1单色光视效率(V)：又称相对光谱光视效率光视效率(K)：因此第十七页，编辑于星期六：十六点

13、三十二分。第十八页，编辑于星期六：十六点三十二分。第十九页，编辑于星期六：十六点三十二分。下节课内容基础知识（原教材）1.热辐射基本定律2.光频电磁波的基本理论和定律第二十页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源 1.3 热辐射基本定律热辐射基本定律热辐射热辐射物体因温度而辐射能量的现象。物体因温度而辐射能量的现象。热辐射是自然界中普遍存在的现象。热辐射是自然界中普遍存在的现象。辐射能是由原子、分子的热运动能量转变而来的。辐射能是由原子、分子的热运动能量转变而来的。热辐射光源热辐射光源使发光物体升温到足够高而发光的光源。使发光物体升温到足够高而发光的光源。在辐

14、射过程中不改变自身的原子、分子的内部状态。在辐射过程中不改变自身的原子、分子的内部状态。辐射光谱是连续光谱。辐射光谱是连续光谱。第二十一页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源 1.3 热辐射基本定律热辐射基本定律1.3.1单色吸收比和单色反射比1.吸收比、反射比、透射比t单色吸收比、单色反射比、单色透射比无透射时：2.黑体：对任何波长的辐射能的吸收比都等于1。第二十二页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源 1.3 热辐射基本定律热辐射基本定律1.3.2基尔霍夫辐射定律在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与

15、单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。第二十三页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源 1.3 热辐射基本定律热辐射基本定律黑体特征：黑体特征：强吸收体强吸收体 强热辐射能力强热辐射能力 黑体的辐射随温度和波长变化，遵从普朗克公式。黑体的辐射随温度和波长变化，遵从普朗克公式。第二十四页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源 1.3 热辐射基本定律热辐射基本定律黑体特征：黑体特征：强吸收体强吸收体 强热辐射能力强热辐射能力 黑体的辐射随温度和波长变化，遵从普朗克公式。黑体的辐射随温度和波长变化，遵

16、从普朗克公式。黑体是一种理想热辐射源！黑体是一种理想热辐射源！第二十五页，编辑于星期六：十六点三十二分。h=6.62619610-23瓦秒2，为普朗克常数；c=2.9979251010厘米秒-1，为真空中光速；k=1.38062210-23瓦秒K-1，为玻尔兹曼常数；为波长；c1=2hc2=3.74184410-12瓦厘米2，为第一辐射常数；c2=ch/k=1.438833厘米K，为第二辐射常数。1.3.3普朗克公式黑体处于温度T时，在波长处的单色辐射出射度为：第二十六页，编辑于星期六：十六点三十二分。MeB(,T)随连续变化，曲线只有一个极大值。T愈高，MeB(,T)也愈大，不同温度的曲线永

17、不相交。曲曲线线下的面积下的面积是T4。随着温度T的升高，辐射极大值所在位置m移向短波方向。波长小于m部分的能量占25%，波长大于m部分的能量占75%。第二十七页，编辑于星期六：十六点三十二分。瑞利瑞利-琼斯公式琼斯公式：波长很大时，维恩公式维恩公式：波长很小时，实验实验瑞利瑞利-琼斯琼斯维恩维恩T=1646kT=1646k第二十八页，编辑于星期六：十六点三十二分。维恩位移定律维恩位移定律：单色辐射出射度最大值对应的波长m由 确定。由得 式中T为物体温度，单位为K；max为与物体辐射能量密度最大峰值对应的波长。显然，随着物体温度的升高，峰值波长将变短。通常我们接触的物体，如人体，地球大气，冰等

18、的峰值波长在812m之间。100时：m7.76m；400时：m4.30m；600时：m3.32m；1000时：m2.10m；1600时：m1.54m；思考：思考：6000 时？时？酒精灯的颜色？酒精灯的颜色？人体的辐射？人体的辐射？第二十九页，编辑于星期六：十六点三十二分。斯特藩斯特藩-玻尔兹曼定律：玻尔兹曼定律：黑体的辐射出射度为式中 斯蒂芬玻尔兹曼定律指出：物体辐射的能量密度与其自身的热力学温度(T)的四次方成正比。因此温度升高时，辐射出射度迅速增加。为玻尔兹曼常数。黑体的温度决定了它的辐射光谱分布。以黑体作为标准光源，其他热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的辐射光的颜色最为相近

19、，则黑体的这一温度称为该热辐射光源的色温色温；色温与相关色温色温与相关色温黑体、选择体、灰体黑体、选择体、灰体第三十页，编辑于星期六：十六点三十二分。结构：小孔空腔结构结构：小孔空腔结构有绝热层有绝热层、测温传感器测温传感器和控温装置控温装置。用途用途：常用作标准光源常用作标准光源。黑 体第三十一页，编辑于星期六：十六点三十二分。1人体皮肤的温度约为35C，试求人体皮肤辐射最强的波长。2用辐射高温计测得炉壁小孔的幅出度为22.8W/cm2，试求炉内温度。第三十二页，编辑于星期六：十六点三十二分。1人体皮肤的温度约为35C，试求人体皮肤辐射最强的波长。2用辐射高温计测得炉壁小孔的幅出度为22.8

20、W/cm2，试求炉内温度。第三十三页，编辑于星期六：十六点三十二分。第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源 1.6 光频电磁波的基本理论和定律光频电磁波的基本理论和定律 光波的电磁场理论光波的电磁场理论 相速度和群速度相速度和群速度 光波在各向同性介质表面上的反射与折射光波在各向同性介质表面上的反射与折射第三十四页，编辑于星期六：十六点三十二分。麦克斯韦电磁理论麦克斯韦电磁理论积分形式微分形式1.6.1 光波的电磁场理论光波的电磁场理论第三十五页，编辑于星期六：十六点三十二分。麦克斯韦电磁理论麦克斯韦电磁理论积分形式微分形式 电磁波在介质分界面上传播的时候，由上方程组可推出界面两侧的场以及界

21、电磁波在介质分界面上传播的时候，由上方程组可推出界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系，即边界条件。面上电荷电流的制约关系，即边界条件。1.6.1 光波的电磁场理论光波的电磁场理论第三十六页，编辑于星期六：十六点三十二分。麦克斯韦电磁理论麦克斯韦电磁理论积分形式微分形式如果考虑远离辐射源、不存在自由电荷和传导电流的区域：如果考虑远离辐射源、不存在自由电荷和传导电流的区域：波动方程波动方程1.6.1 光波的电磁场理论光波的电磁场理论第三十七页，编辑于星期六：十六点三十二分。在光电子技术中，一般只考虑电磁场中的在光电子技术中，一般只考虑电磁场中的E E矢量，因为引起生理矢量，因为引起生理视觉效应

22、、光化学效应、光电效应的主要是视觉效应、光化学效应、光电效应的主要是E E矢量。矢量。1.6.1 光波的电磁场理论光波的电磁场理论第三十八页，编辑于星期六：十六点三十二分。波动方程的解波动方程的解几种特殊形式的光波几种特殊形式的光波平面波解平面波解：波动方程波动方程球面波解球面波解：柱面波解柱面波解：高斯光束高斯光束：1.6.1 光波的电磁场理论光波的电磁场理论第三十九页，编辑于星期六：十六点三十二分。光波速度和介质的折射率光波速度和介质的折射率平面波解：平面波解：波动方程波动方程光速：光速：折射率：折射率：1.6.1 光波的电磁场理论光波的电磁场理论第四十页，编辑于星期六：十六点三十二分。能

23、流密度能流密度坡因廷矢量坡因廷矢量若场强若场强E EE E0 0sin(sin(t t)1.6.1 光波的电磁场理论光波的电磁场理论第四十一页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.6.2 光波场的时域频率特性光波场的时域频率特性1.单色光单色光指数形式：指数形式：第四十二页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.6.2 光波场的时域频率特性光波场的时域频率特性2.复色光复色光实际光源发出的复色光波可近似看做时间有限的等幅振荡或衰减振荡：实际光源发出的复色光波可近似看做时间有限的等幅振荡或衰减振荡：时间有限的等幅振荡时间有限的等幅振荡衰减振荡衰减振荡第四十三页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.6.2

24、 光波场的时域频率特性光波场的时域频率特性3.准单色光准单色光以下情况可以认为是准单色光：以下情况可以认为是准单色光：对于中心频率为对于中心频率为 0的振荡，若振幅随时间的变化比振荡缓慢得多。的振荡，若振幅随时间的变化比振荡缓慢得多。持续时间较长的等幅振荡。持续时间较长的等幅振荡。值小的衰减振荡。值小的衰减振荡。第四十四页，编辑于星期六：十六点三十二分。对单色平面波：对单色平面波：波速波速(相速相速)：波阵面传播的速度，即单色波的等相位面传播的速度。：波阵面传播的速度，即单色波的等相位面传播的速度。波矢波矢圆频率圆频率1.6.3 相速度与群速度相速度与群速度相速度相速度第四十五页，编辑于星期六

25、：十六点三十二分。假设复色光由两列单色光波组成，其振幅均为假设复色光由两列单色光波组成，其振幅均为E E0 0，频率分别为：，频率分别为：1 1=0 0+d+d，2 2=0 0-d-d；波矢分别为：波矢分别为：k k1 1=k=k0 0+dk+dk，k k2 2=k=k0 0-dk-dk；两列波均向；两列波均向z z方向传播，则这两列方向传播，则这两列波分别为：波分别为：1.6.3 相速度与群速度相速度与群速度第四十六页，编辑于星期六：十六点三十二分。合成波：合成波：余弦项起调制因子的作用，即形成波包形式。图中实线表示合成波，称为余弦项起调制因子的作用，即形成波包形式。图中实线表示合成波，称为

26、波包波包，虚线表示合成波的振幅变化。波包上等振幅面向前推进的速度，它代表着波包具有的虚线表示合成波的振幅变化。波包上等振幅面向前推进的速度，它代表着波包具有的能量传播速度，称为能量传播速度，称为群速度群速度。1.6.3 相速度与群速度相速度与群速度第四十七页，编辑于星期六：十六点三十二分。合成波：合成波：余弦项起调制因子的作用，即形成波包形式。图中实线表示合成波，称为余弦项起调制因子的作用，即形成波包形式。图中实线表示合成波，称为波包波包，虚线表示合成波的振幅变化。波包上等振幅面向前推进的速度，它代表着波虚线表示合成波的振幅变化。波包上等振幅面向前推进的速度，它代表着波包具有的能量传播速度，称

27、为包具有的能量传播速度，称为群速度群速度。1.6.3 相速度与群速度相速度与群速度第四十八页，编辑于星期六：十六点三十二分。合成波：合成波：振幅恒定的条件为：振幅恒定的条件为：群速度为：群速度为：相速为：相速为：所以：所以：瑞利群速公式瑞利群速公式1.6.3 相速度与群速度相速度与群速度第四十九页，编辑于星期六：十六点三十二分。瑞利群速公式的分析：瑞利群速公式的分析：正常色散情况正常色散情况反常色散情况反常色散情况真空无色散真空无色散1.6.3 相速度与群速度相速度与群速度第五十页，编辑于星期六：十六点三十二分。瑞利群速公式的分析：瑞利群速公式的分析：正常色散情况正常色散情况反常色散情况反常色

28、散情况真空无色散真空无色散 相速表征一个无穷的正弦波，相速表征一个无穷的正弦波，其频率、振幅处处相同，这样的波其频率、振幅处处相同，这样的波是无法传递信号的。要实现信号传是无法传递信号的。要实现信号传递，必须对波进行调制（振幅或频递，必须对波进行调制（振幅或频率的调制），不论采用哪种方式，率的调制），不论采用哪种方式，都涉及到不止一种频率的波。任何都涉及到不止一种频率的波。任何一个实际信号总是由不止一个频率一个实际信号总是由不止一个频率的波所组成的群波。所以群速就表的波所组成的群波。所以群速就表示信号的传播速度，也是能量传播示信号的传播速度，也是能量传播速度。速度。1.6.3 相速度与群速度相

29、速度与群速度第五十一页，编辑于星期六：十六点三十二分。下节课内容光频电磁波的基本理论和定律相速度、群速度光波的横波性质和偏振态光波的横波性质和偏振态光波在各向同性介质界面上的反射和折射光波在各向同性介质界面上的反射和折射第五十二页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.6.4 光波的横波性质和偏振态光波的横波性质和偏振态1.平面光波的横波性质平面光波的横波性质平面光波是横波。平面光波是横波。第五十三页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.6.4 光波的横波性质和偏振态光波的横波性质和偏振态1.平面光波的横波性质平面光波的横波性质因此平面光波是横电磁波。因此平面光波是横电磁波。第五十四页，编辑于星期六

30、：十六点三十二分。1.6.4 光波的横波性质和偏振态光波的横波性质和偏振态2.平面光波的偏振性质平面光波的偏振性质光振动方向相对传播方向的不对称性质，称为光的偏振特性。光振动方向相对传播方向的不对称性质，称为光的偏振特性。第五十五页，编辑于星期六：十六点三十二分。完全非偏振光完全非偏振光 部分偏振光部分偏振光 完全偏振光完全偏振光光波偏振的分类和偏振度光波偏振的分类和偏振度偏振度偏振度第五十六页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.6.4 光波的横波性质和偏振态光波的横波性质和偏振态2.平面光波的偏振性质平面光波的偏振性质椭圆偏振光椭圆偏振光光振动方向相对传播方向的不对称性质，称为光的偏振特性。

31、光振动方向相对传播方向的不对称性质，称为光的偏振特性。第五十七页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.6.4 光波的横波性质和偏振态光波的横波性质和偏振态2.平面光波的偏振性质平面光波的偏振性质椭圆偏振光椭圆偏振光(1)线偏振光线偏振光第五十八页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.6.4 光波的横波性质和偏振态光波的横波性质和偏振态2.平面光波的偏振性质平面光波的偏振性质椭圆偏振光椭圆偏振光(2)圆偏振光圆偏振光右旋圆偏振光右旋圆偏振光左旋圆偏振光左旋圆偏振光第五十九页，编辑于星期六：十六点三十二分。1.6.4 光波的横波性质和偏振态光波的横波性质和偏振态2.平面光波的偏振性质平面光波的偏振性质

32、椭圆偏振光椭圆偏振光(3)椭圆偏振光椭圆偏振光一般情况下一般情况下长短半轴大小取决于二分量的振幅和相位差。长短半轴大小取决于二分量的振幅和相位差。旋转方向只取决于相位差。旋转方向只取决于相位差。右旋椭圆偏振光右旋椭圆偏振光左旋椭圆偏振光左旋椭圆偏振光第六十页，编辑于星期六：十六点三十二分。1、反射和折射定律、反射和折射定律 设介质设介质1、介质、介质2的分界面为无穷大平面，单色平面光波由的分界面为无穷大平面，单色平面光波由1入射到入射到2，入射，入射波、反射波、折射波的波矢量分别为波、反射波、折射波的波矢量分别为k1、k1、k2，角频率分别为，角频率分别为 。三。三个波分别表示为个波分别表示为

33、12k1k1k2n1121.6.5 光波在介质界面上的反射与折射光波在介质界面上的反射与折射第六十一页，编辑于星期六：十六点三十二分。12k1k1k2n1121、反射和折射定律、反射和折射定律1.6.5 光波在介质界面上的反射与折射光波在介质界面上的反射与折射第六十二页，编辑于星期六：十六点三十二分。2、菲涅耳公式、菲涅耳公式xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpkikrkt112 菲涅耳公式是用来表示反射光、折射光与入射光振幅和位相关系的一组表达菲涅耳公式是用来表示反射光、折射光与入射光振幅和位相关系的一组表达式。式。1.6.5 光波在介质界面上的反射与折射光波在介质界面上的反射

34、与折射第六十三页，编辑于星期六：十六点三十二分。xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpkikrkt112 由边界条件、反射定律、折射定律，可以推出由边界条件、反射定律、折射定律，可以推出如下菲涅尔公式：如下菲涅尔公式：(1)(1)、菲涅耳公式、菲涅耳公式第六十四页，编辑于星期六：十六点三十二分。xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpkikrkt112 单位时间内，入射、反射、折射光在界面处单单位时间内，入射、反射、折射光在界面处单位面积上的能量为：位面积上的能量为：(2)(2)、反射率和透射率、反射率和透射率入射光中入射光中s s分量和分量和p p分量的反射率和透射率分

35、别为：分量的反射率和透射率分别为：第六十五页，编辑于星期六：十六点三十二分。xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpkikrkt112(2)(2)、反射率和透射率、反射率和透射率入射光中入射光中s s分量和分量和p p分量的反射率和透射率分别为：分量的反射率和透射率分别为：小角度（正入射）和大角度（掠入射）情况小角度（正入射）和大角度（掠入射）情况布儒斯特角布儒斯特角全反射全反射反射率、透射率随入射角的变化关系。反射率、透射率随入射角的变化关系。反射率的大小的影响因素反射率的大小的影响因素第六十六页，编辑于星期六：十六点三十二分。xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpki

36、krkt112(2)(2)、反射率和透射率、反射率和透射率入射光中入射光中s s分量和分量和p p分量的反射率和透射率分别为：分量的反射率和透射率分别为：小角度（正入射）和大角度（掠入射）情况小角度（正入射）和大角度（掠入射）情况正入射时正入射时掠入射时掠入射时第六十七页，编辑于星期六：十六点三十二分。xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpkikrkt112(2)(2)、反射率和透射率、反射率和透射率入射光中入射光中s s分量和分量和p p分量的反射率和透射率分别为：分量的反射率和透射率分别为：布儒斯特角布儒斯特角当光波以某一特定角度入射时当光波以某一特定角度入射时R Rp p=0

37、=0，即反射光中不存在，即反射光中不存在p p分量。分量。第六十八页，编辑于星期六：十六点三十二分。xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpkikrkt112(2)(2)、反射率和透射率、反射率和透射率入射光中入射光中s s分量和分量和p p分量的反射率和透射率分别为：分量的反射率和透射率分别为：全反射全反射n n1 1nn2 2时，若入射角大于临界角时，若入射角大于临界角 c c，将发生全反射。且，将发生全反射。且第六十九页，编辑于星期六：十六点三十二分。反射率、透射率随入射反射率、透射率随入射角的变化关系。角的变化关系。第七十页，编辑于星期六：十六点三十二分。反射率大小的影响因素

38、反射率大小的影响因素第七十一页，编辑于星期六：十六点三十二分。3、反射光和折射光的偏振特性、反射光和折射光的偏振特性完全非偏振光完全非偏振光 部分偏振光部分偏振光 完全偏振光完全偏振光1.6.5 光波在介质界面上的反射与折射光波在介质界面上的反射与折射(1)(1)、光波偏振的分类和偏振度、光波偏振的分类和偏振度偏振度偏振度第七十二页，编辑于星期六：十六点三十二分。3、反射光和折射光的偏振特性、反射光和折射光的偏振特性xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpkikrkt1121.6.5 光波在介质界面上的反射与折射光波在介质界面上的反射与折射(2)(2)、自然光的反射和折射特性、自然光

39、的反射和折射特性偏振度偏振度反射光的偏振度反射光的偏振度折射光的偏振度折射光的偏振度第七十三页，编辑于星期六：十六点三十二分。3、反射光和折射光的偏振特性、反射光和折射光的偏振特性xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpkikrkt1121.6.5 光波在介质界面上的反射与折射光波在介质界面上的反射与折射(2)(2)、自然光的反射和折射特性、自然光的反射和折射特性偏振度偏振度反射光的偏振度反射光的偏振度折射光的偏振度折射光的偏振度 在小角度（正入射）和大角度（掠入射）情况下，在小角度（正入射）和大角度（掠入射）情况下，R Rs sRRp p，T Ts sTTp p。反射光和折。反射光

40、和折射光仍为自然光。射光仍为自然光。第七十四页，编辑于星期六：十六点三十二分。3、反射光和折射光的偏振特性、反射光和折射光的偏振特性xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpkikrkt1121.6.5 光波在介质界面上的反射与折射光波在介质界面上的反射与折射(2)(2)、自然光的反射和折射特性、自然光的反射和折射特性偏振度偏振度反射光的偏振度反射光的偏振度折射光的偏振度折射光的偏振度 在布儒斯特角时，反射光为完全偏振光，但折射光仍为部分偏振光。在布儒斯特角时，反射光为完全偏振光，但折射光仍为部分偏振光。第七十五页，编辑于星期六：十六点三十二分。3、反射光和折射光的偏振特性、反射光和折

41、射光的偏振特性xzon1n2EisEipErsErpEtsEtpkikrkt1121.6.5 光波在介质界面上的反射与折射光波在介质界面上的反射与折射(2)(2)、自然光的反射和折射特性、自然光的反射和折射特性偏振度偏振度反射光的偏振度反射光的偏振度折射光的偏振度折射光的偏振度 自然光斜入射时，一般反射光和折射光都变成部分偏振光自然光斜入射时，一般反射光和折射光都变成部分偏振光;一般反射光的偏振度大于折射光的偏振度。一般反射光的偏振度大于折射光的偏振度。第七十六页，编辑于星期六：十六点三十二分。例例1.6.1 垂直入射时的反射，内反射和外反射。垂直入射时的反射，内反射和外反射。折射率为1.5的

42、玻璃介质和折射率为1的空气形成一个边界，考虑光束垂直入射到此边界上所形成的反射。a.若光束由空气进入玻璃，反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少？b.若光束由玻璃进入空气，反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少？若光束由玻璃进入空气，反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少？c.在上面在上面a问的外反射中，偏振角是多少？基于这个偏振角如何制作一个使光问的外反射中，偏振角是多少？基于这个偏振角如何制作一个使光束偏振的偏振元件？束偏振的偏振元件？解解a.由于外反射，在空气中传播的光束在玻璃表面被部分反射，则n11，n21.5，那么这是个负数，说明产生了180o相移。则给

43、出部分反射功率的反射比(R)为第七十七页，编辑于星期六：十六点三十二分。例例1.6.1 垂直入射时的反射，内反射和外反射。垂直入射时的反射，内反射和外反射。折射率为1.5的玻璃介质和折射率为1的空气形成一个边界，考虑光束垂直入射到此边界上所形成的反射。a.若光束由空气进入玻璃，反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少？b.若光束由玻璃进入空气，反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少？若光束由玻璃进入空气，反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少？c.在上面在上面a问的外反射中，偏振角是多少？基于这个偏振角如何制作一个使光束偏振的偏问的外反射中，偏振角是多少？基于这个偏

44、振角如何制作一个使光束偏振的偏振元件？振元件？解解b.由于内反射，在玻璃中传播的光束在玻璃-空气边界处被部分反射，则n11.5，n21，那么没有任何相移，反射比仍为0.04或4%。在(a)、(b)两种情况下，反射光分量相同。第七十八页，编辑于星期六：十六点三十二分。例例1.6.1 垂直入射时的反射，内反射和外反射。垂直入射时的反射，内反射和外反射。折射率为1.5的玻璃介质和折射率为1的空气形成一个边界，考虑光束垂直入射到此边界上所形成的反射。a.若光束由空气进入玻璃，反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少？b.若光束由玻璃进入空气，反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多若光束

45、由玻璃进入空气，反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少？少？c.在上面在上面a问的外反射中，偏振角是多少？基于这个偏振角如何制作一个使光束偏振问的外反射中，偏振角是多少？基于这个偏振角如何制作一个使光束偏振的偏振元件？的偏振元件？解解c.在空气中传播的光束以偏振角入射到玻璃表面，这里n11,n21.5，并且，所以 如果要使光束被玻璃板反射，保持入射角56.3o不变，那么反射光将被偏振化，它的电场分量垂直于入射面。折射光在入射面的电场更大，即它也被部分偏振化。通过使用多个玻璃板可以提高折射光的偏振效果。第七十九页，编辑于星期六：十六点三十二分。例例1.6.2 太阳能电池上的抗反射膜太阳

46、能电池上的抗反射膜 光束入射到半导体的表面时将被部分反射，这种部分反射在太阳能电池中是十分重要的。在太阳能电池中，进入半导体器件的折射光能量被转换成电能。波长为700-800nm附近时，Si的折射率大约为3.5。因此有nl(air)1，n2(Si)3.5，于是反射比为 这就意味着31%的光被反射了并且不能转换为电能，这大大降低了太阳能电池的效率。第八十页，编辑于星期六：十六点三十二分。改进方法：改进方法：在半导体器件表面涂上一薄层介质材料，比如具有中间折射率的Si3N4(氮化硅)。设设nl(air)1，n2(涂层)1.9，n3(Si)3.5 A：外反射，相位改变了180oB：由于n3n2，波B

47、的相位也改变了180o 当B到达A时，相位差等于 为了减少反射光，A和B必须进行相消干涉，这就要求 则涂层厚度必须是涂层中四分之一波长的奇数倍，并且取决于波长大小。为了获得好的相消干涉，产生干涉的光波A和B的振幅必须是可比的，要求，这样空气和涂层间的反射系数等于涂层与半导体间的反射系数。用Si3N4作为Si太阳能电池上的抗反射膜材料是一个很好的选择。波长为700nm时，则 或d的奇数倍。m1,3,5,是一个奇整数 第八十一页，编辑于星期六：十六点三十二分。例例1.6.3 介质反射镜介质反射镜 一组折射率交替变化的介质层 边界面处的反射波进行相长干涉并产生很多反射光。如果有足够多的介质层，反射比

48、可以在波长达到1 边界1-2反射 边界2-1反射 正数，说明相位没有改变负数，说明相位改变了 通过反射镜后反射系数的符号交替变化。A和B是同相的并且进行相长干涉。同样光波B和C也进行相长干涉等等 介质反射镜广泛应用于现代的垂直腔长表面发射半导体激光器。第八十二页，编辑于星期六：十六点三十二分。1、波面、光线和光束、波面、光线和光束1.6.6 几何光学基本定律几何光学基本定律发光点、电光源发光点、电光源波面：平面、球面、其他曲面波面：平面、球面、其他曲面光线光线光束：平行光束、同心光束、象散光束光束：平行光束、同心光束、象散光束2、几何光学基本定律、几何光学基本定律光的直线传播定律光的直线传播定律光的独立传播定律光的独立传播定律3、光的反射和折射定律、光的反射和折射定律第八十三页，编辑于星期六：十六点三十二分。作业：作业：第八十四页，编辑于星期六：十六点三十二分。第八十五页，编辑于星期六：十六点三十二分。下节课内容下节课内容激光产生的物质基础激光产生的物质基础激光产生的基本原理和方法激光产生的基本原理和方法第八十六页，编辑于星期六：十六点三十二分。