现代光学简介.ppt
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吸收损耗 物质本征吸收：物质固有的吸收。
有近红外的8~12m区域和紫外波段两个吸收频带。
光纤低损耗“窗口”为：
0.65~0.73m，0.75~0.85 m ，1.1~1.6 m。
杂质吸收
原子缺陷吸收
散射损耗 物质的本征散射：玻璃在加热过程中使物质密 度不均匀，进而折射率不均匀，在冷却过程中 被固定，折射率不均匀性将引起光的散射。
2 a a
c
r
n1
sina n1 2 N .A.
sin c
n2 n1
n0a n1 sin r
n1 sin r n1 cosc
cosc 1 sin2 c
sin a n12 n22
n12 n22 2n12
4、光纤的传输特性
（1）光纤的损耗特性 指光纤每单位长度的衰减， 单位为分贝/公里(dB/km)。
非线性光学
强光入射介质时
P E E 2 E3
二、倍频和混频
当激光与非线性介质作用，入射光通过介质后， 其输出频率较入射频率有所变化，会出现倍频光、 和频光与差频光。
入射单色强光电场强度 E E0 cost
P E E 2 E0 cost E02 cos2 t
1 2
E102
(
1
cos
21t
)
1 2
E
2 20
(
1
cos
2 2 t
)
E10E20[cos( 1 2 )t cos(1 2 )t]
和频成分 差频成分
介质除辐射直流、基频和倍频成分，还将辐射
频率为和频与差频的光波，称为光学混频。
三、受激喇曼散射
当光束在透明介质中传播时，如果介质的光学性 质不均匀，就会出现部分光束偏离原来传播方向 的现象，就叫光的散射。
15-1 全息照相
1948年全息照相术诞生。 全息照相的优点：可以再现物体的立体形象。
普通照相
全息照相
只记录物体所发 光波的振幅
以干涉、衍射为基础的 无透镜摄影，记录物体 所发光波的振幅和位相
（全部光信息）
全息底片没有物体的影像，而是记录了物体所发 光波的全部信息的干涉条纹。
一、全息照片的拍摄和再现
包层界面入射角
0
1 （（ ca 全 端反 面射 临界 临入 界射 角角））2
0
n0 n2 n1
光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反
射而向前传播。
2、光纤的分类
光纤的折射率用光纤折射率剖面n (r)表征 引入纤芯、包层相对折射率差
n12 n22 2n12
n1 n2 n1
一、光导纤维 用石英、玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝， 直径在几微米到120微米左右。
1、光纤的结构及传光原理
玻璃纤维
由玻璃纤芯、
包层
包层和护套 100~200m
组成
纤芯
光纤导光利用全反射定理。
涂层
纤芯折射率为n1 包层折射率为n2
n1>n2
1
0
2
尼龙外层
1mm
n0 n2 n1
0 光纤端面入射角
二、光纤通信的工作原理
直接检波系统：在发送端直接把信号调制到光波 上，而在接受端用光电检波管直接把调制光波检 波为原信号的系统。
光端机 (发送)
LD管 PIN管
光端机
光导
(接收)
纤维
电端机 (发送)
电端机 (接收)
三、光纤通信的优势 1、通信容量大 是通常无线电通信容量的104~105倍 2、传输距离远，能量损耗低 有能耗为0.2dB/km以下的光纤 3、重量轻、原材料丰富、铺设简便 4、抗干扰能力强，使用安全
弹性散射
光与物质分子碰撞是弹性的，无能量交换。 入射光与散射光频率相同，
散射光强度与频率四次方成正比。 非弹性散射
散射光频率与入射光频率不相同。
有
原频率
成分，
0
还有(
0
)和( 0
)成分
与物质性质有关，与入射光频率无关。
Байду номын сангаас
四、光束自聚焦效应 在强光作用下，介质的折射率不再是常数， 会随入射光强度增大而变大。
非线性效应引起的散射：物质在强大的电场作 用下呈现非线性性，引起光的散射。
（2）光纤的色散特性与光孤子通信 光的色散特性：使光脉冲信号通过光纤时， 在输出端光脉冲的响应会被拉长，出现脉冲 失真。
光孤子通信：在单模光纤中，光强增加到一 定程度时，将出现非线性效应，可与光纤中 的色散相互补偿，从而得到无畸变的光脉冲 传输。
激光束在截面上强度分布不均匀，呈高斯分布。
入射激光
非
线
波面
性
介
自聚焦现象
质 光强高斯 分布
15-3 光纤通信
通信是指将信息从一处传到另一处。 无线电通信的载体是无线电波。 无线电载波频率为108 ~ 1010 Hz 光纤通信（或激光通信）是将声音、图像或其它
信息调制到激光载波上发送出去。 载波频率为1013 ~ 1015 Hz 激光通信分为： 地面大气通信、宇宙空间通信、光纤（缆）通信
x 物光在a、b两处光程差为
D
sindx
dx r sin x
在底片同一处，来自物体上不同发光点的点，由于它
们的或r不相同，与参考光形成的干涉条纹间距不同。
底片上的干涉条纹间距及条纹走向反映了物体上各 发光点的位置差别。
2、全息图像的观察 用拍摄照片时所用的同一波长的照明光沿原参考方 向照射底片，在照片背面向照片看就可看到物体。
1、全息记录 记录物体上各点发出的光波的频率、振幅、位相
分光镜
反射镜
激光器
物光和参考光在
感光胶片处相干
叠加、感光。
反射镜
物光
参考光
振幅不同使条纹变黑程度不同，
感光胶片
相位不同则使条纹的密度、形状各异。
相位的记录（参考光为平面波）
参考光
物光 d r
O
a
设a、b为某相邻的两条暗纹
b dx 参考光在a、b两处相位相同
普通光纤有两种： 阶跃型光纤 纤芯与包层间折射率的变化是阶梯状的。
n( r ) n1
n2 r
光纤中的射线
梯度型光纤 纤芯与包层间折射率的变化是渐变的。
n( r ) n1
n2 r
光纤中的射线
3、光纤的数值孔径（N.A.）
反映了光纤集光本领，数值孔径越大，集光本领越强。
n0 n2
2a 光纤的孔径角
再现时偏转照明光束，物体将互不干扰地显现。
3、全息干涉计量 两次曝光或连续曝光，可记录物体的微小、高速运动。 再现时得到多个相互交叠而略有差异的物体光波的像。
15-2 非线性光学简介
一、非线性光学现象
线性光学
光与介质相互作用，入射光的电场强度比介质
中原子内的场强小得多。
P 0E E
照明光
d r
O
人眼
a
位置
1
b
底片上各处透射率不同（相当于衍射屏），照明光 透射后发生衍射，衍射光波再现物光波。
二、全息技术的应用 1、全息显微镜 用短脉冲激光在一张底片上记录粒子的运动。 再现粒子的运动状态及瞬时分布。
2、全息信息储存 拍摄全息照片，改变参考光束方向，可将不同物体 摄在同一张底片上。
四、光纤的其他应用 照明、光合成、加工、供电、手术
E0 cost
E02 2
( 1 cos 2t
)
1 2
E02
E0
cos t
1 2
E02
cos
2t
恒定电场 基频成分 倍频成分
入射两种不同频率的强光
E1 E10 cos1t E2 E20 cos2t
E E1 E2
P ( E10 cos1t E20 cos2t )
有近红外的8~12m区域和紫外波段两个吸收频带。
光纤低损耗“窗口”为：
0.65~0.73m，0.75~0.85 m ，1.1~1.6 m。
杂质吸收
原子缺陷吸收
散射损耗 物质的本征散射：玻璃在加热过程中使物质密 度不均匀，进而折射率不均匀，在冷却过程中 被固定，折射率不均匀性将引起光的散射。
2 a a
c
r
n1
sina n1 2 N .A.
sin c
n2 n1
n0a n1 sin r
n1 sin r n1 cosc
cosc 1 sin2 c
sin a n12 n22
n12 n22 2n12
4、光纤的传输特性
（1）光纤的损耗特性 指光纤每单位长度的衰减， 单位为分贝/公里(dB/km)。
非线性光学
强光入射介质时
P E E 2 E3
二、倍频和混频
当激光与非线性介质作用，入射光通过介质后， 其输出频率较入射频率有所变化，会出现倍频光、 和频光与差频光。
入射单色强光电场强度 E E0 cost
P E E 2 E0 cost E02 cos2 t
1 2
E102
(
1
cos
21t
)
1 2
E
2 20
(
1
cos
2 2 t
)
E10E20[cos( 1 2 )t cos(1 2 )t]
和频成分 差频成分
介质除辐射直流、基频和倍频成分，还将辐射
频率为和频与差频的光波，称为光学混频。
三、受激喇曼散射
当光束在透明介质中传播时，如果介质的光学性 质不均匀，就会出现部分光束偏离原来传播方向 的现象，就叫光的散射。
15-1 全息照相
1948年全息照相术诞生。 全息照相的优点：可以再现物体的立体形象。
普通照相
全息照相
只记录物体所发 光波的振幅
以干涉、衍射为基础的 无透镜摄影，记录物体 所发光波的振幅和位相
（全部光信息）
全息底片没有物体的影像，而是记录了物体所发 光波的全部信息的干涉条纹。
一、全息照片的拍摄和再现
包层界面入射角
0
1 （（ ca 全 端反 面射 临界 临入 界射 角角））2
0
n0 n2 n1
光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反
射而向前传播。
2、光纤的分类
光纤的折射率用光纤折射率剖面n (r)表征 引入纤芯、包层相对折射率差
n12 n22 2n12
n1 n2 n1
一、光导纤维 用石英、玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝， 直径在几微米到120微米左右。
1、光纤的结构及传光原理
玻璃纤维
由玻璃纤芯、
包层
包层和护套 100~200m
组成
纤芯
光纤导光利用全反射定理。
涂层
纤芯折射率为n1 包层折射率为n2
n1>n2
1
0
2
尼龙外层
1mm
n0 n2 n1
0 光纤端面入射角
二、光纤通信的工作原理
直接检波系统：在发送端直接把信号调制到光波 上，而在接受端用光电检波管直接把调制光波检 波为原信号的系统。
光端机 (发送)
LD管 PIN管
光端机
光导
(接收)
纤维
电端机 (发送)
电端机 (接收)
三、光纤通信的优势 1、通信容量大 是通常无线电通信容量的104~105倍 2、传输距离远，能量损耗低 有能耗为0.2dB/km以下的光纤 3、重量轻、原材料丰富、铺设简便 4、抗干扰能力强，使用安全
弹性散射
光与物质分子碰撞是弹性的，无能量交换。 入射光与散射光频率相同，
散射光强度与频率四次方成正比。 非弹性散射
散射光频率与入射光频率不相同。
有
原频率
成分，
0
还有(
0
)和( 0
)成分
与物质性质有关，与入射光频率无关。
Байду номын сангаас
四、光束自聚焦效应 在强光作用下，介质的折射率不再是常数， 会随入射光强度增大而变大。
非线性效应引起的散射：物质在强大的电场作 用下呈现非线性性，引起光的散射。
（2）光纤的色散特性与光孤子通信 光的色散特性：使光脉冲信号通过光纤时， 在输出端光脉冲的响应会被拉长，出现脉冲 失真。
光孤子通信：在单模光纤中，光强增加到一 定程度时，将出现非线性效应，可与光纤中 的色散相互补偿，从而得到无畸变的光脉冲 传输。
激光束在截面上强度分布不均匀，呈高斯分布。
入射激光
非
线
波面
性
介
自聚焦现象
质 光强高斯 分布
15-3 光纤通信
通信是指将信息从一处传到另一处。 无线电通信的载体是无线电波。 无线电载波频率为108 ~ 1010 Hz 光纤通信（或激光通信）是将声音、图像或其它
信息调制到激光载波上发送出去。 载波频率为1013 ~ 1015 Hz 激光通信分为： 地面大气通信、宇宙空间通信、光纤（缆）通信
x 物光在a、b两处光程差为
D
sindx
dx r sin x
在底片同一处，来自物体上不同发光点的点，由于它
们的或r不相同，与参考光形成的干涉条纹间距不同。
底片上的干涉条纹间距及条纹走向反映了物体上各 发光点的位置差别。
2、全息图像的观察 用拍摄照片时所用的同一波长的照明光沿原参考方 向照射底片，在照片背面向照片看就可看到物体。
1、全息记录 记录物体上各点发出的光波的频率、振幅、位相
分光镜
反射镜
激光器
物光和参考光在
感光胶片处相干
叠加、感光。
反射镜
物光
参考光
振幅不同使条纹变黑程度不同，
感光胶片
相位不同则使条纹的密度、形状各异。
相位的记录（参考光为平面波）
参考光
物光 d r
O
a
设a、b为某相邻的两条暗纹
b dx 参考光在a、b两处相位相同
普通光纤有两种： 阶跃型光纤 纤芯与包层间折射率的变化是阶梯状的。
n( r ) n1
n2 r
光纤中的射线
梯度型光纤 纤芯与包层间折射率的变化是渐变的。
n( r ) n1
n2 r
光纤中的射线
3、光纤的数值孔径（N.A.）
反映了光纤集光本领，数值孔径越大，集光本领越强。
n0 n2
2a 光纤的孔径角
再现时偏转照明光束，物体将互不干扰地显现。
3、全息干涉计量 两次曝光或连续曝光，可记录物体的微小、高速运动。 再现时得到多个相互交叠而略有差异的物体光波的像。
15-2 非线性光学简介
一、非线性光学现象
线性光学
光与介质相互作用，入射光的电场强度比介质
中原子内的场强小得多。
P 0E E
照明光
d r
O
人眼
a
位置
1
b
底片上各处透射率不同（相当于衍射屏），照明光 透射后发生衍射，衍射光波再现物光波。
二、全息技术的应用 1、全息显微镜 用短脉冲激光在一张底片上记录粒子的运动。 再现粒子的运动状态及瞬时分布。
2、全息信息储存 拍摄全息照片，改变参考光束方向，可将不同物体 摄在同一张底片上。
四、光纤的其他应用 照明、光合成、加工、供电、手术
E0 cost
E02 2
( 1 cos 2t
)
1 2
E02
E0
cos t
1 2
E02
cos
2t
恒定电场 基频成分 倍频成分
入射两种不同频率的强光
E1 E10 cos1t E2 E20 cos2t
E E1 E2
P ( E10 cos1t E20 cos2t )