光电子技术基础第二章 光学基础知识与光场传播规律.doc

第2章 光学基础知识与光场传播规律 本章旨在回顾信息光电子技术基础课程学习中所需的一些光学基本知识，系 2.1光 2.1.1 光17世纪中期，有关光属性的两种学说——胡克和惠更斯的波动学说以及牛顿l00多年中，许多学者的进一步观测支持1864年麦克斯韦(Maxwell)建立了普遍电磁波方程，并通过方 （2-1） 式中，0为真空中的磁导率，为真空中的介电常量。这一学说给出了在极宽频20年后，赫兹第一次在实验上证实了光波就是电磁2-1给出了电磁波谱及其主要产生方式。 2-1 电磁波谱及其主要产生方式 真空中的波长 频率／Hz 主要产生方式 本质 长波 3～30km 104～105 由振荡电路所产 生的电磁辐射 中波 200m～3km 105～l.5M 无 线 短波 10～200m 1.5M～30M 电 超短波 1～10m 30M～300M 波 微波 1mm～3m 100M～300G 亚毫米波 0.1～lmm 300M～3T 红外线 0.76m-0.6mm 500G～400T 由炽热物体、气体放电或其他光源激发分子或原子等微观客体所产生的电磁辐射 外层电 子跃迁 可见光 0.40～0.76m 400T～750T 紫外线 0.03～0.40m 750T～104T x射线 0.1nm～0.03m 104T～3×106T 用高速电子流轰击原子中的 内层电子而产生的电磁辐射 内层电 子跃迁 射线 1.0pm--0.1nm 3×106T～3×108T 放射性原子变或用高能粒子与原子核碰撞时所发出的电磁射射 原子核衰 变或裂变 可见，光波与电波虽然同是电磁波，但其产生的本质原因不同，因而波长(频)相差很大，且频率越高，粒子性与波动性相比越加明显；另外，电波的波导由金 波动学说成功地将光归结为一种横电磁波，但是直到与真正电波电源一样相 粒子学说将光看做一群能量零散的、运动着的粒子，爱因斯坦提出用光频率作为最小单位，认为光是以的整数倍 综上所述，迄今为止，说到光的本质，粒子性与波动性各有其存在合理性，因而 2.1.2 折射、反射、全反射 光波射在镜面上会发生反射，射在介质界面上会发生反射、折射或全反射。这2-1所示，设界面法线方方向，与入射面垂直的方向为y方向，若一波矢为的光以入射角1从2的介质，折射波波矢为k2，折射角为，反。反射角为，则在界面上所有点均满足 （2-2） 式中，r为方位矢量，定义为：、分别为x、方向单位 由式(2-2)可推导出反射定律与折射定律。 光波射在镜面或介质界面上时，会有光波发生折回原介质中的方向转折过程，2-1(a)所示，满足反射定律： 1)反射光位于入射光与界面线所决定的平面内； 2)反射角等于入射角，即 (2-3) 光波射在介质界面上时，一部分光波会被界面反射(遵从反射定律)，另一部分2-1(b)所示，折射光线满 1)折射光线位于界面法线与入射光线所决定的平面内； 2)折射角满足 (2-4) 当时，逐渐增大1角会发现，当增加到时，如图21(c)所示，c满足 (2-5) 当时，入射光的能量全部被界面反射回光密介质，这种现象称为全反射，如图2-1(d)所示。 (a)反射(b)折射 (c)临界角(d)全反射 2-1反射、折射与全反射光的独立传播原理几列波在空间某点相遇后，仍保持各自的特性(频率、波长、振幅、偏振)不变，任频率为的空间平面波可表示为正弦函数形式 (2-6)多波叠加的结果为 （i=1,2,3,.） (2-7a) 式中 (2-7b) (2-7c) 如果光来自各自完全独立的光源，则将随机变化，但平均值为0，于是合成场强为 若来自各光源的光不仅叫相同，而且相位关系维持不变，则所涉及各光源称 当全部相干光源间保持相位相同或为2的整数倍时，有 (2-8) 当频率相同、传播方向相反的两个波 (2-9a) (2-9b) 叠加时(即入波与返波叠加)，则有 (2-10) 可见合成波为驻波。 2.1.4 偏振 线偏振与部分偏振 如果空间传播的电磁波，其