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袁国良、李元元编著 第2章??光纤通信的物理学基础 本章内容 2.1 光的本质 2.2 光的反射、折射和全反射 2.3 波动光学 2.4光的吸收、色散和散射 2.5激光原理 小结、习题 2.1 光的本质 （1）光线是按照直线传播 （2）光具有波动性 （3）光的量子性 2.2 光的反射、折射和全反射 光的反射、折射和全反射如下图所示 2.3 波动光学 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。 电磁场理论指出光是一种电磁波。 通常所说的可见光的波长范围在0.4～0.76μm之间，而常用的光纤通信系统工作在近红外区，波长为0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。 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 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。 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 图2-3-2 分波阵面法获得相干光 图2-3-3 分振幅法获得相干光 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： ① 分波阵面法 ② 分振幅法 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。  2）光的相干性 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。 两束光总的光程差δ满足如下规律： 入射光满足 δ=± kλ k=1,2,… ， 反射光的干涉加强。 入射光满足 δ=±（k+1/2）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。 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。 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 ① 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； ② 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。 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。 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。  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φ满足 (a+b)sinφ=±kλ k=0,1,2,…(2-3-10) 形成亮度很大的明条纹。 4 光的偏振 光的偏振现象证明了光是横波。 1）光的偏振现象 线偏振光 如果光矢量只沿一个固定的方向振动的光 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。  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）起偏和检偏 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