第2章 光通信的理论基础.ppt

（1）光与物质的相互作用 爱因斯坦推导了黑体辐射的普朗克公式，认为光与物质原子的相互作用包含了原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三个过程。 自发辐射：处于高能级E2的原子是不稳定的，即使在没有任何外界作用的情况下，也有可能自发地跃迁到低能级E1上，并且发射一个光子，这个过程叫做自发辐射。 受激辐射：处于高能级的原子，在频率满足一定条件的外来光子的激励下，受激跃迁到低能级，并发射一个与外来激励光子处于同一光子态的光子，这两个光子又可以去诱发其他的发光原子，产生更多状态相同的光子。这个过程成为受激辐射过程。 受激吸收：受激吸收是受激辐射的反过程。 2. 能级跃迁 当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于电子密度在两个能带上的分布。 若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。 （2）粒子数反转分布及光放大 粒子正常分布：处于低能级的粒子数多于高能级的粒子数。 粒子数反转分布：在外界能量的作用下，处于低能级的粒子将不断被激发到高能级上去，从而使高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数。 光放大：当外界入射光进入到一个处于粒子数反转状态的物质时，由于受激辐射，高能级的粒子会产生大量的全同粒子，实现了对入射光的放大作用。 物质——激活物质或增益物质或工作介质。（固体、液体、气体） 激励产生粒子数反转——泵浦或抽运。（光激励、放电激 励、化学激励等。 2.3.5 非线性光学效应 2.3.6 光在介质中传播 1.传输介质 （1）各向同性介质与各向异性介质 （2）线性介质与非线性介质 （3）均匀介质与不均匀介质 2.光在各向异性介质中的传播-双折射 程函方程（eikonal equation） 将上面第2式代入第1式中，可得： 程函方程 2.3.1 几何光学基本定律 （一）光的直线传播定律在各向同性的均匀透明介质中，光是沿直线传播的，且在途中不遇到小孔、狭缝和不透明的小屏障等阻挡。 （二）光的独立传播定律从不同发光体发出的互相独立的光线，以不同方向相交于空间介质中某一点，彼此互不影响，各光线独立传播。 （三）光的折射定律与反射定律光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反射和折射。即一部分光能量反射回原介质，另一部分光能量折射入另一介质。 实验证明：（1） 反射光线和折射光线都在入射面内，它们与入射光分别在法线两侧。（2）反射角等于入射角。（3）折射角的正弦与入射角的正弦比与入射角无关，仅由两种介质的性质决定。即当n’=-n时，折射定律就转化为反射定律。 一定波长的单色光在真空中的传播速度与它在给定介质中的传播速度之比，称为该介质对指定波长的光的绝对折射率。即： n = c/v 通常所讲的介质的折射率是介质相对于空气的折射率。 （四）全反射现象在一定条件下，入射到介质上的光全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，即发生全反射。产生全反射的条件：①光线从光密介质射向光疏介质。②入射角大于临界角，即 全反射有比一般反射更优越的性能，它几乎无能量的损失，因此用途广泛。光纤就是其中的一种。 2.3.2 光源与光谱 1. 光源 太阳-蜡烛-火焰? 激光 2.光谱 连续光谱 线光谱 1 光源 发光的物体称为光源。 光源发光类型 热辐射 电致发光 光致发光 生化发光 受激辐射 各类发光二极管 深海发光鱼 荧光玩具 太阳 原子能级及发光跃迁 基态 激发态 跃迁 自发辐射 a 原子或分子所发的光是一个个很短波列 b 不同分子或原子发光具有各自独立性 c 同一分子或原子发光具有间歇性 普通光源发光特点 普通光源：自发辐射 独立（同一原子不同时刻发的光） 独立 （不同原子同一时刻发的光） · · 完全一样(频率、位相、 振动方向,传播方向) 激光光源：受激辐射 E1 E2 ? ? ? = (E2-E1)/h ? 普通光源发光特点： 原子发光是断续的，每次发光形成一长度有限的波列, 各原子各次发光相互独立，各波列互不相干. P 2 1 两个独立光源—非相干光 同一光源不同部分发出的光也是非相干光 如何获得相干光呢? 与干涉相关的定义 两个或多个光波在同一空间域叠加时，如果该空间域的光能量密度分布不同于各个分量光波单独存在时的光能量密度和，则称光波在该空间域内发生了干涉。 各个分量波相互叠加且发生了干涉的空间域称为干涉场。 若在三维干涉场中放置一个二维的观察屏，则屏上将出现的稳定的辐照度分布图形，称之为干涉条纹或干涉图形。 光的干涉问题包括光源、干涉装置和干涉图形等三个要素，干涉问题研究这三个要素之间的关系，即从两个已知的要素求出第三个要素。 2.3.3 光