光波导理论及技术
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• 数据读出：读出激光束也经LCSLM进入光折变晶体，由于相 位共轭，读出光束精确复现写入的干涉信息，并被阵列光电 检测器接收。
全息光存储优点
• 体积小； • 存贮量大； • 信息失真小； • 速度高。
全息光存储的应用
• 光学相关运算器， 用于目标跟踪图像 处理的。
近场光学显微镜
• 瑞利判据 ：传统光学显微镜能够探测到的物体最小细节总是大于 波长的一半。
–电磁场具有能量和动量，从而揭示了电磁场的物质性。
如何控制光的传播？
透镜的波面变换作用
• 折射、衍射规律； • 光波传播过程中，波面的振幅、相位发生变化。
光纤通信发展历史
比特率20-100Mb/s，最大中继间距10Km
比特率4Gb/s，最大中继间距100Km
波长：850nm —— 1310nm —— 1550nm
பைடு நூலகம்
x 10-6 二维指向矢分布
5
非均匀区域 1
4
电极
z轴坐标: m
3
2
1
0
0.8
1
1.2
x轴坐标: m x 10-5
光束敏捷控制应用
自适应光学——波前校正
• 波前误差测量，波前重构，
空间光调制器
• 改变光波波前的振幅、相位。 • 种类：声光调制器，变形镜，微镜阵列，液晶，光折变
晶体------
光波导理论与技术
自动化测试与控制系
2006年春
参考教材
1. 微波与光电子学中的电磁理论（第二版），张克潜、 李德杰 著，2001年5月，电子工业出版社，研究生教 学用书，教育部研究生工作办公室推荐
2. 光波导理论与技术， 李玉权 崔敏 编著， 人民邮电 出版社，2002年12月第一版
3. 光波工程，[日本]国分泰雄 著，（先进光电子技术 丛书），科学出版社，2002年
单模光纤结构捕陷（ n1=1.4544, n2=1.45, 2a=8m, and 2b=125m. ）光源为He-Ne 激光（ =632.8nm ）。当粒子 接近光纤顶端时，它将被光纤顶端的近场成梯度变化的力 捕获。
• SNOM聚苯乙烯胶体微粒( 约2μm)排成“光”字形图案 • STM 单原子操纵将36 个钴原子排成了椭圆形的量子围栏
导波光（guided wave） ：光被局限于特定的区域内传播， 通常被限定在与传播方向垂直的限定截面内。约束导波光的 介质称之为光波导（optical waveguid）。如光纤，光纤传 感器，光纤器件（光纤光栅、光纤放大器，光互联），……
麦克斯韦方程的贡献： –存在电磁波，
–预言了光就是电磁波，
• 利用相位共轭简化光路；
• 液晶空间光调制器（LCSLM ）精确控制三维信息存贮位 置。
• 数据写入：写入激光束的水 平分量（物光）从数据SLM 获取信息进入光折变晶体， 垂直分量（参考光）被 LCSLM 作 二 维 偏 转 ， 在 光 折 变晶体中与水平分量相遇产 生干涉，写入信息被存储在 光折变晶体的确定位置。
4. 导波光学物理基础，佘守宪编著，北方交通大学出 版社，2002年8月第一版
序言
• 光电子技术的应用：光通信、光信息处 理、光存储、光计算、光传感、激光加 工------
• 新的光学分支：光纤光学，集成光学， 薄膜光学，二元光学，微光学,非线性光 学，变折射率光学、自适应光学------
• 本课程将光作为电磁波，研究光的传播 规律。
液晶空间光调制器
光存储
光信息拾取
液晶透镜： CLC—Convex Liquid Crystal ADLC—Adaptive Liquid Crystal
全息光存储
• 全息成像：先使照射物体的物光和参考光干涉产生条纹， 记录该干涉条纹的称之为全息图，再用原来的参考光， 或与参考光的共轭光照射全息图，可再现原来的物体。
频分复用，波分复用；光孤子高速长距离 1995年法国，20Gb/s传输106 Km
What’s next?
全光网：光子开关，光互连，光放大，光变频，----------
光互联
激光通信优点
• 激光通信发散角约10微弧度，比RF和微波通 信小3~4数量级，光束捕捉困难，保密性好；
• 天线体积小，重量轻，适用于卫星、航天器； • 数据传输速率高、与RF、微波频带不同； • 大气层内的通信距离为几十~几百公里，大气
光是电磁波
• 电磁波的范围：1026Hz------10Hz • 可见光波长：400nm~700nm • 无线电波长：10-4 m~106m
光的传播
自由空间光（free space wave）：在均匀介质中传播的光 。 如由透镜、棱镜等各种光学元件组成的常见的光学仪器设备， 自由空间激光通信，激光雷达，光束变换， ……
• 亚波长尺寸的探针在被照明的样品表面逐点扫描以获得不同局域点 的信息，并保持探针–样品之间数十纳米的间距，表面的近场光被 接收后即可获得反映样品表面微小结构的光学图像。
• 亚波长结构的信息隐藏在非辐射场（倏逝波场）中，远场只有传播 波，不包含样品的亚波长结构信息。
近场光学捕陷(optical traps)
层外通信距离几千公里，甚至上万公里； • 需要高精度的捕获、跟踪、瞄准技术（ATP—
—Acquisition, Tracking, Pointing ），跟踪精度小 于2微弧度，瞄准精度小于1微弧度。
自由空间激光通信
相控阵激光雷达
• 激光跟踪测距雷达、激光成 像雷达、激光合成孔径雷达-----
• 相控阵激光雷达通过对激光 束的相位控制和波束合成技 术，实现波束功率增强和电 扫描；
• 共轭光：与某光波的波面形状相同，但反向传播的光波。
• 光折变晶体：晶体（如铌酸锂LiNbO3）在聚焦的强激光 照射下折射率发生变化。用于全息成像时，全息干涉条 纹使晶体中相应的折射率变化形成全息图（代替全息感 光干板）。该全息图可以擦除重写，因此是实时全息图。
全息光存储
• 存贮介质：光折变晶体；
• 美国在70年代初开始光学相 控阵研究，早期用钽酸锂晶 体制成一维光学移相阵列， 而后用液晶制成二维光学相 控阵样机，在4 4面积上有 1536 个移相单元。
光束敏捷控制
液晶偏转光束原理
• 光束通过一定厚度的液晶层，层内折射率的差异产 生光程差，由此改变波前相位。
• 利用液晶折射率可控的特性控制波前相位。
全息光存储优点
• 体积小； • 存贮量大； • 信息失真小； • 速度高。
全息光存储的应用
• 光学相关运算器， 用于目标跟踪图像 处理的。
近场光学显微镜
• 瑞利判据 ：传统光学显微镜能够探测到的物体最小细节总是大于 波长的一半。
–电磁场具有能量和动量，从而揭示了电磁场的物质性。
如何控制光的传播？
透镜的波面变换作用
• 折射、衍射规律； • 光波传播过程中，波面的振幅、相位发生变化。
光纤通信发展历史
比特率20-100Mb/s，最大中继间距10Km
比特率4Gb/s，最大中继间距100Km
波长：850nm —— 1310nm —— 1550nm
பைடு நூலகம்
x 10-6 二维指向矢分布
5
非均匀区域 1
4
电极
z轴坐标: m
3
2
1
0
0.8
1
1.2
x轴坐标: m x 10-5
光束敏捷控制应用
自适应光学——波前校正
• 波前误差测量，波前重构，
空间光调制器
• 改变光波波前的振幅、相位。 • 种类：声光调制器，变形镜，微镜阵列，液晶，光折变
晶体------
光波导理论与技术
自动化测试与控制系
2006年春
参考教材
1. 微波与光电子学中的电磁理论（第二版），张克潜、 李德杰 著，2001年5月，电子工业出版社，研究生教 学用书，教育部研究生工作办公室推荐
2. 光波导理论与技术， 李玉权 崔敏 编著， 人民邮电 出版社，2002年12月第一版
3. 光波工程，[日本]国分泰雄 著，（先进光电子技术 丛书），科学出版社，2002年
单模光纤结构捕陷（ n1=1.4544, n2=1.45, 2a=8m, and 2b=125m. ）光源为He-Ne 激光（ =632.8nm ）。当粒子 接近光纤顶端时，它将被光纤顶端的近场成梯度变化的力 捕获。
• SNOM聚苯乙烯胶体微粒( 约2μm)排成“光”字形图案 • STM 单原子操纵将36 个钴原子排成了椭圆形的量子围栏
导波光（guided wave） ：光被局限于特定的区域内传播， 通常被限定在与传播方向垂直的限定截面内。约束导波光的 介质称之为光波导（optical waveguid）。如光纤，光纤传 感器，光纤器件（光纤光栅、光纤放大器，光互联），……
麦克斯韦方程的贡献： –存在电磁波，
–预言了光就是电磁波，
• 利用相位共轭简化光路；
• 液晶空间光调制器（LCSLM ）精确控制三维信息存贮位 置。
• 数据写入：写入激光束的水 平分量（物光）从数据SLM 获取信息进入光折变晶体， 垂直分量（参考光）被 LCSLM 作 二 维 偏 转 ， 在 光 折 变晶体中与水平分量相遇产 生干涉，写入信息被存储在 光折变晶体的确定位置。
4. 导波光学物理基础，佘守宪编著，北方交通大学出 版社，2002年8月第一版
序言
• 光电子技术的应用：光通信、光信息处 理、光存储、光计算、光传感、激光加 工------
• 新的光学分支：光纤光学，集成光学， 薄膜光学，二元光学，微光学,非线性光 学，变折射率光学、自适应光学------
• 本课程将光作为电磁波，研究光的传播 规律。
液晶空间光调制器
光存储
光信息拾取
液晶透镜： CLC—Convex Liquid Crystal ADLC—Adaptive Liquid Crystal
全息光存储
• 全息成像：先使照射物体的物光和参考光干涉产生条纹， 记录该干涉条纹的称之为全息图，再用原来的参考光， 或与参考光的共轭光照射全息图，可再现原来的物体。
频分复用，波分复用；光孤子高速长距离 1995年法国，20Gb/s传输106 Km
What’s next?
全光网：光子开关，光互连，光放大，光变频，----------
光互联
激光通信优点
• 激光通信发散角约10微弧度，比RF和微波通 信小3~4数量级，光束捕捉困难，保密性好；
• 天线体积小，重量轻，适用于卫星、航天器； • 数据传输速率高、与RF、微波频带不同； • 大气层内的通信距离为几十~几百公里，大气
光是电磁波
• 电磁波的范围：1026Hz------10Hz • 可见光波长：400nm~700nm • 无线电波长：10-4 m~106m
光的传播
自由空间光（free space wave）：在均匀介质中传播的光 。 如由透镜、棱镜等各种光学元件组成的常见的光学仪器设备， 自由空间激光通信，激光雷达，光束变换， ……
• 亚波长尺寸的探针在被照明的样品表面逐点扫描以获得不同局域点 的信息，并保持探针–样品之间数十纳米的间距，表面的近场光被 接收后即可获得反映样品表面微小结构的光学图像。
• 亚波长结构的信息隐藏在非辐射场（倏逝波场）中，远场只有传播 波，不包含样品的亚波长结构信息。
近场光学捕陷(optical traps)
层外通信距离几千公里，甚至上万公里； • 需要高精度的捕获、跟踪、瞄准技术（ATP—
—Acquisition, Tracking, Pointing ），跟踪精度小 于2微弧度，瞄准精度小于1微弧度。
自由空间激光通信
相控阵激光雷达
• 激光跟踪测距雷达、激光成 像雷达、激光合成孔径雷达-----
• 相控阵激光雷达通过对激光 束的相位控制和波束合成技 术，实现波束功率增强和电 扫描；
• 共轭光：与某光波的波面形状相同，但反向传播的光波。
• 光折变晶体：晶体（如铌酸锂LiNbO3）在聚焦的强激光 照射下折射率发生变化。用于全息成像时，全息干涉条 纹使晶体中相应的折射率变化形成全息图（代替全息感 光干板）。该全息图可以擦除重写，因此是实时全息图。
全息光存储
• 存贮介质：光折变晶体；
• 美国在70年代初开始光学相 控阵研究，早期用钽酸锂晶 体制成一维光学移相阵列， 而后用液晶制成二维光学相 控阵样机，在4 4面积上有 1536 个移相单元。
光束敏捷控制
液晶偏转光束原理
• 光束通过一定厚度的液晶层，层内折射率的差异产 生光程差，由此改变波前相位。
• 利用液晶折射率可控的特性控制波前相位。