色散和散射光的吸收

色散和散射光的吸收色散和散射光的吸收第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础本章内容本章内容2.1 光的本质光的本质2.2 光的反射、折射和全反射光的反射、折射和全反射2.3 波动光学波动光学2.4光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射2.5激光原理激光原理小结、习题小结、习题2.1 光的本质光的本质（1）光线是按照直线传播）光线是按照直线传播（2）光具有波动性）光具有波动性（3）光的量子性）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 光的反射、折射和全反射如下图所示光的反射、折射和全反射如下图所示当光从光密介质射入光疏介质时，且入当光从光密介质射入光疏介质时，且入射角大于临界角时，将发生光的全反射射角大于临界角时，将发生光的全反射现象。现象。2.3 波动光学波动光学 1865年麦克斯韦在总结前人实验的基础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，并预言电上，得出麦克斯韦方程组，并预言电磁波的存在。磁波的存在。电磁场理论指出光是一种电磁波。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通常所说的可见光的波长范围在0.40.40.760.76m m之间，之间，而常用的光纤通信系统而常用的光纤通信系统工作在近红外区，波长为工作在近红外区，波长为0.80.81.8m1.8m，对应的频率为，对应的频率为167167375THz375THz。电磁波的性质电磁波的性质真空中的电磁波具有以下性质：真空中的电磁波具有以下性质：(1)电磁波是横波电磁波是横波(2)E和和H同位相同位相(3)E和和H幅值成正比幅值成正比(4)电电磁磁波波的的传传播播速速度度与与光光相相同同，表表明明光光波也是一种电磁波波也是一种电磁波(5)电电磁磁场场的的能能量量和和能能流流可可以以用用能能量量密密度度和能流密度来描述和能流密度来描述 1）光的相干性）光的相干性 光矢量光矢量在在光光波波中中，产产生生感感光光作作用用与与生生理理作作用用的的主主要要是是电电场场强强度度E，所所以以电电矢矢量量E称称为为光光矢量。矢量。光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉 干涉现象是波动过程的基本特征之一。干涉现象是波动过程的基本特征之一。由由频频率率相相同同，振振动动方方向向相相同同，位位相相相相同同或或位位相相差差保保持持恒恒定定的的两两个个相相干干波波源源所所发发出出的的波波是是相相干干波波，在在两两束束相相干干波波相相遇遇的的区区域域里里，有有些些点点振振动动始始终终加加强强，有有些些点点的的振振动动始始终终减减弱弱或或完完全全抵抵消消，即即产产生生干干涉现象。涉现象。光波也具有相干性光波也具有相干性图图2-3-2 分波阵面法获得相干光分波阵面法获得相干光 图图2-3-3 分振幅法获得相干光分振幅法获得相干光 获得相干光的基本方法获得相干光的基本方法一一般般光光源源发发出出的的光光是是不不相相干干的的，但但是是可可以以采采用用下下列列两两种方法来获得相干光：种方法来获得相干光：分波阵面法分波阵面法 分振幅法分振幅法 杨氏双缝实验和洛埃镜实验杨氏双缝实验和洛埃镜实验(1)(1)杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 杨杨氏氏双双缝缝实实验验是是最最早早利利用用单单一一光光源源形形成成两两束束相相干干光光，从从而而获获得得干干涉涉现现象象的的典典型型实实验验。它它是是利利用用分分波波阵阵面面法法获获得得的。的。(2)(2)洛埃镜实验洛埃镜实验 洛洛埃埃镜镜实实验验不不但但显显示示了了光光的的干干涉涉现现象象，而而且且还还显显示示了了当当光光由由光光疏疏媒媒质质射射到到光光密密媒媒质质并并在在其其表表面面反反射射时时，反反射射光光的的位相发生了变化。位相发生了变化。半波损失半波损失：光从光速较大的介质射向光：光从光速较大的介质射向光速较小的介质时反射光的相位较之入射速较小的介质时反射光的相位较之入射光的相位跃变了，相当于反射光与入射光的相位跃变了，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，称为光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失。半波损失。2）光的相干性）光的相干性光程与光程差光程与光程差折折射射率率n n与与光光波波在在该该媒媒质质中中传传播播的的几几何何路程路程r r的乘积的乘积nrnr叫做光程。叫做光程。两两束束相相干干光光在在不不同同媒媒质质中中传传播播时时，对对干干涉涉加加强强(亮亮纹纹)和和减减弱弱(暗暗纹纹)条条件件起起决决定作用是这两束光的光程差。定作用是这两束光的光程差。两束光总的光程差两束光总的光程差满足如下规律：满足如下规律：入射光满足入射光满足=k k=1,2,k k=1,2,，反射光的干涉加强。反射光的干涉加强。入射光入射光满足满足=(k+1/2)k=1,2,，反射光的干涉减弱。反射光的干涉减弱。(3)(3)增透膜和增反膜增透膜和增反膜薄薄膜膜干干涉涉原原理理在在镀镀膜膜技技术术中中的的应应用用主主要要有有两两个方面：个方面：一一方方面面是是利利用用薄薄膜膜反反射射时时，使使某某些些波波长长的的光光因因干干涉涉而而减减弱弱，以以增增加加透透射射光光的的强强度度，这这种种薄膜称为增透膜；薄膜称为增透膜；另另一一方方面面是是利利用用薄薄膜膜表表面面反反射射时时，使使某某些些波波长长的的光光因因干干涉涉而而加加强强，以以减减少少透透射射光光的的强强度度，这种薄膜称为增反膜。这种薄膜称为增反膜。光的衍射光的衍射 1 1）光光的的衍衍射射现现象象惠惠更更斯斯菲菲涅耳原理涅耳原理光光波波绕绕过过障障碍碍物物而而传传播播的的现现象象叫叫做做光的衍射现象。光的衍射现象。当当光光源源、接接收收屏屏都都距距衍衍射射物物无无限限远远时时，这这种种入入射射光光和和衍衍射射光光都都是是平平行行光的衍射称为夫琅和费衍射。光的衍射称为夫琅和费衍射。单缝衍射条纹特点单缝衍射条纹特点 单单缝缝衍衍射射条条纹纹是是一一系系列列平平行行于于狭狭缝缝的的明明暗暗相相间间的的直直条条纹纹，它它们们对对称称地地分分布在中央明纹两侧；布在中央明纹两侧；明明纹纹亮亮度度不不均均匀匀，中中央央明明纹纹最最亮亮，其其它它各各级级明明纹纹的的亮亮度度将将随随着着级级数数的的增增高而逐步减弱。高而逐步减弱。2 2）夫琅和费单缝衍射）夫琅和费单缝衍射3 3）光栅衍射）光栅衍射 为为了了提提高高测测量量精精度度，必必须须提提供供一一种种又又亮亮又又窄窄、间间隔隔又又很很大大的的明明条条纹纹。利利用用衍衍射射光光栅栅可可以以做做到到这这一一点点。衍衍射射光光栅栅分分为为：反反射射光光栅栅和和透透射射光光栅栅，它它是是近近代代物物理理实实验验中中时时常常用用到到的的一一种种重重要要光光学学元元件件，是是一一种种分光装置主要用来形成光谱。分光装置主要用来形成光谱。衍射光栅衍射光栅也常用于光纤通信。也常用于光纤通信。光栅衍射条纹的形成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。光栅衍射条纹是衍射和干涉的总效果。光衍射角光衍射角满足满足(a+b)sin=k k=0,1,2,(a+b)sin=k k=0,1,2,(2-3-10)(2-3-10)形成亮度很大的明条纹。形成亮度很大的明条纹。4 4 光的偏振光的偏振 光的偏振现象证明了光是横波。光的偏振现象证明了光是横波。1 1）光的偏振现象）光的偏振现象 线偏振光线偏振光 如果光矢量只沿一个固定的方向振动的光如果光矢量只沿一个固定的方向振动的光 自然光自然光 平平均均来来看看，光光矢矢量量对对于于光光的的传传播播方方向向呈呈轴轴对对称称均均匀匀分分布布，没没有有任任何何一一个个方方位位更更占占优优势势，这这种光称为自然光。种光称为自然光。纵波：振动方向与传播方向相同的波。纵波：振动方向与传播方向相同的波。横波：振动方向与传播方向垂直的波。横波：振动方向与传播方向垂直的波。部分偏振光部分偏振光 自然光在传播过程中，由于外界的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某种作用，造成各个振动方向上的强度不等，使某一方向度不等，使某一方向的振动比其他方的振动比其他方向占优势，这种光叫作部分偏振光。向占优势，这种光叫作部分偏振光。2 2）起偏和检偏）起偏和检偏 偏振片偏振片 把把具具有有选选择择吸吸收收性性的的晶晶体体(例例如如硫硫酸酸碘碘奎奎宁宁)的的细细微微晶晶粒粒涂涂在在聚聚氯氯乙乙烯烯膜膜上上，并并沿沿某某一一方方向向拉拉伸伸薄薄膜膜，使使细细微微晶晶粒粒沿沿拉拉伸伸方方向向整整齐齐排排列列，然然后后将将薄膜夹在两玻璃片之间，便制成了偏振片。薄膜夹在两玻璃片之间，便制成了偏振片。偏偏振振片片允允许许通通过过的的光光振振动动方方向向，这这个个方方向向称称作作偏偏振振化化方方向向，也也叫叫透透光光轴轴。从从自自然然光光获获得得偏偏振振光光的过程叫起偏。的过程叫起偏。检验偏振光的过程，称为检偏。检验偏振光的过程，称为检偏。利用偏振片可以利用偏振片可以起偏和检偏起偏和检偏 起起 偏偏偏振化方向偏振化方向起偏器起偏器3 3）马吕斯定律）马吕斯定律（1880 年）年）NM检偏器检偏器起偏器起偏器NM 马吕斯定律马吕斯定律 强度为强度为 的偏振的偏振光通过检偏振器后光通过检偏振器后,出射光的强度为出射光的强度为 例例1 有两个偏振片有两个偏振片,一个用作起偏器一个用作起偏器,一个用作一个用作检偏器检偏器.当它们偏振化方向间的夹角为当它们偏振化方向间的夹角为 时时,一束一束单色自然光穿过它们单色自然光穿过它们,出射光强为出射光强为 ;当它们偏振化当它们偏振化方向间的夹角为方向间的夹角为 时时,另一束单色自然光穿过它们另一束单色自然光穿过它们,出射光强为出射光强为 ,且且 .求两束单色自然光的强求两束单色自然光的强度之比度之比.解解 设两束单色自然光的强度分别为设两束单色自然光的强度分别为 和和 .经过起偏器后光强分别为经过起偏器后光强分别为 和和 .经过检偏器后经过检偏器后4 4）反射光和折射光的偏振布儒斯特定律）反射光和折射光的偏振布儒斯特定律反射起偏反射起偏 自自然然光光入入射射在在两两种种各各向向同同性性介介质质的的分分界界面面上时，反射光和折射光都成为部分偏振光。上时，反射光和折射光都成为部分偏振光。布儒斯特定律布儒斯特定律 1812年年，布布儒儒斯斯特特在在实实验验中中发发现现：反反射射光光的的偏偏振振化化程程度度与与入入射射角角有有关关。当当自自然然光光以以起起偏偏振振角角入入射射时时，其其反反射射光光和和折折射射光光的的传传播播方方向向相相互垂直，且反射光成为线偏振光。互垂直，且反射光成为线偏振光。反射光为完全偏振光，且反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，折射振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光。光为部分偏振光。当当 时，时，此时此时反射光和折射光互相垂直反射光和折射光互相垂直.玻璃玻璃空气空气注意注意 对于一般的光学玻璃对于一般的光学玻璃,反射光的强度约占反射光的强度约占入射光强度的入射光强度的7.5%，大部分光将透过玻璃。，大部分光将透过玻璃。利用利用玻璃片堆玻璃片堆产生产生线线偏振光偏振光5 5）光的双折射现象）光的双折射现象 光光在在两两种种各各向向同同性性的的媒媒质质的的分分界界面面上上折折射射时时，只只有有一一束束折折射射光光线线。但但是是，当当一一束束自自然然光光折折入入各各向向异异性性晶晶体体时时，例例如如光光线线进进入入方方解解石石晶晶体体后后，会会分分裂裂成成为为两两束束折折射射光光线线，它它们沿不同方向折射，称为双折射现象。们沿不同方向折射，称为双折射现象。分裂成的两束折射光线都是分裂成的两束折射光线都是线偏振光。线偏振光。光通过光通过双折射晶体双折射晶体 寻常光线（寻常光线（o o光）光）(ordinary rays)(ordinary rays)服从折射定律的光线服从折射定律的光线(extraordinray rays)非常光线（非常光线（e e光）光）不服从折射定律的光线不服从折射定律的光线（一般情况，非常光线不在入射面内）（一般情况，非常光线不在入射面内）实验证明：实验证明：O 光和光和 光均为偏振光光均为偏振光.ACBoeDeo2.4 2.4 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射 光光的的吸吸收收、色色散散、散散射射都都是是光光波波与与物质的相互作用过程。物质的相互作用过程。1 1光的吸收光的吸收所有物质对某些范围内的光是透明的、而所有物质对某些范围内的光是透明的、而对另外一些范围的光却是不透明的，即被对另外一些范围的光却是不透明的，即被吸收掉了。吸收掉了。如石英：可见光是透明的，如石英：可见光是透明的，不透明（红外光）不透明（红外光）(1)吸收的线性规律吸收的线性规律 光的吸收是指光波通过介质后，光强光的吸收是指光波通过介质后，光强因为减弱现象。因为减弱现象。吸收的线性规律吸收的线性规律(朗伯定律朗伯定律)为：为：一般吸收一般吸收:是少量的吸收是少量的吸收,如石英对可见如石英对可见光的吸收。光的吸收。选择吸收选择吸收:是强烈的吸收是强烈的吸收,如石英对红外如石英对红外光的吸收。光的吸收。任何物质对光的吸收均由这两部分组成。任何物质对光的吸收均由这两部分组成。(2)(2)光的吸收与波长的关系光的吸收与波长的关系物质对某些波长的光具有选择吸收性物质对某些波长的光具有选择吸收性在在无无线线通通信信中中，就就要要考考虑虑大大气气对对电电磁磁波的吸收问题。波的吸收问题。光纤对于某种波长的光波也具有强烈光纤对于某种波长的光波也具有强烈的选择吸收性的选择吸收性(3)(3)吸收光谱吸收光谱光的吸收和光波的波长有关，吸收随光的吸收和光波的波长有关，吸收随光波波长的变化就构成吸收光谱。光波波长的变化就构成吸收光谱。2 2色散色散 (1)(1)色散的概念色散的概念色散是介质的折射率色散是介质的折射率n n随光波波长随光波波长变化的现象变化的现象 (2)(2)正常色散正常色散介介质质的的折折射射率率n n是是随随波波长长的的增增加加而而减减小小的的色色散散叫正常色散。叫正常色散。(3)(3)反常色散反常色散反反常常色色散散是是介介质质的的折折射射率率n n随随着着波波长长的的增增加加而而增加，与正常色散正好增加，与正常色散正好相反。相反。3 3散射散射(1)(1)光的散射光的散射当当光光通通过过不不均均匀匀介介质质时时，会会偏偏离离原原来来的的方方向向而而向四周传播，这种现象称为光的散射。向四周传播，这种现象称为光的散射。如在黑暗的小屋里，我们可在一侧看到从小孔中如在黑暗的小屋里，我们可在一侧看到从小孔中射进来的光线。射进来的光线。因为屋内有尘埃，这时空气是因为屋内有尘埃，这时空气是光学性质不均匀的介质。光学性质不均匀的介质。散射也会使光强减弱：散射也会使光强减弱：(2)线性散射（瑞利散色、米氏散色）线性散射（瑞利散色、米氏散色）散射光的频率等于入射光的频率，散射光中没散射光的频率等于入射光的频率，散射光中没有新频率的光产生，这类散射称为线性散射。有新频率的光产生，这类散射称为线性散射。侧方向观察，散射光带青兰色，（侧方向观察，散射光带青兰色，（较小）较小）对着光看，通过的光较红，即红光被散的较少，对着光看，通过的光较红，即红光被散的较少，即波长越小，散射越强，波长越大，散射越弱，即波长越小，散射越强，波长越大，散射越弱，这种散射称瑞利散射。这种散射称瑞利散射。因此，信号灯多采用红色因此，信号灯多采用红色，是因为散射弱，穿透，是因为散射弱，穿透能力就强。能力就强。要要是是没没有有大大气气层层，（即即可可看看作作真真空空），就就没没有有散散射射作作用用，我我们们只只能能看看到到太太阳阳悬悬挂挂在在漆漆黑黑的的空空中中，宇宇航航员员常常见见的的就就是是这这种种现现象象。落落日日和和朝朝阳阳为为什什么么是是红红色色，且且天天空空呈呈蓝蓝色色，这这是是因因为为这这时时太太阳阳几几乎乎平平行行地地面面，穿穿过过的的大大气气层层最最厚厚，所所有有短短波波的的光光都都朝朝侧侧面面散散射射，仅仅剩剩下下红红光光到到达达观观察察者者，这这时时接接连连地地面面的的空空气气中中有有大大量量的的尘尘埃埃，增增强强了了散散射射作作用用，这这时时，天天空空为为蓝蓝色色，云云块块为为红红色色。正正午午的的阳阳光光为为什什么么是是白白色色？这这时时太太阳阳光光穿穿过过大大气气层层最最薄薄，散散射不多，故为白色。射不多，故为白色。(3)非线性散射非线性散射散射光中除了入射光的频率或谱线之外，还有新散射光中除了入射光的频率或谱线之外，还有新频率的光或新谱线产生，这类散射称为非线性散频率的光或新谱线产生，这类散射称为非线性散射。拉曼散射和布里渊散都属于非线性散射。射。拉曼散射和布里渊散都属于非线性散射。2.5 2.5 激光原理激光原理 激激光光LaserLaser（Light Light amplification amplification by by stimulated stimulated emission emission of of radiationradiation），是指光的受激辐射放大。），是指光的受激辐射放大。1960年梅曼研制了第一台激光器年梅曼研制了第一台激光器红宝石激光器。红宝石激光器。1 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收光和物质的相互作用有三个主要过程：光和物质的相互作用有三个主要过程：(1)(1)自发辐射自发辐射(2)(2)受激辐射受激辐射(3)(3)受激吸收受激吸收粒子数反转分布粒子数反转分布要要获获得得光光放放大大，就就必必须须有有高高能能级级粒粒子子数数N N2 2大大于于低低能能级级粒粒子子数数N N1 1的的分分布布，称称为为粒粒子子数数反反转转分布。分布。实现粒子数反转是产生激光的必要条件。实现粒子数反转是产生激光的必要条件。要形成粒子数反转，必须具备下述条件：要形成粒子数反转，必须具备下述条件：要有激活介质或增益介质。要有激活介质或增益介质。其次，要有其次，要有激励或称为泵浦。激励或称为泵浦。2 2激光的形成激光的形成构构成成一一个个激激光光器器需需要要如如下下三三个个要要素素，如图如图2-5-5所示：所示：1）激光工作物质）激光工作物质2）激励）激励3)3)光学谐振腔光学谐振腔输输出出激激光光的的影影响响因因素素有有：光光学学谐谐振振腔腔的的腔腔长长L的的影影响响，光光学学谐谐振振腔腔反反射射镜镜的的大大小小和和形形状状的的影影响响，分分别别称称为为纵纵模模特特性性和和横横模特性。模特性。(1)(1)纵模纵模在在激激光光谐谐振振腔腔内内，每每一一个个谐谐振振频频率率对对应应一一个个驻驻波波模模式式，这这种种纵纵向向振振荡荡模模式式称称为为纵模。纵模。3 3激光的模式激光的模式 激激光光谱谱线线有有一一定定频频率率范范围围，包包含含有有限限个个纵纵模模。只只输输出出一一个个纵纵模模的的激激光光器器称称为为单单纵纵模模激激光光器器，能能输输出出多多个个纵纵模模的称为多纵模激光器。的称为多纵模激光器。激光器输出的纵模越多，激光的单激光器输出的纵模越多，激光的单色性就越差。因此，对要求单色性好的色性就越差。因此，对要求单色性好的激光器，必须采取选模措施，实现单纵激光器，必须采取选模措施，实现单纵模输出。模输出。(2)(2)横模横模激激光光腔腔内内与与腔腔轴轴垂垂直直的的横横截截面面内内的的稳稳定定光光场场分分布布叫叫做做横横模模。不不同同横横模模的的光光场分布相差很大。场分布相差很大。基基模模的的光光强强分分布布均均匀匀，有有较较好好的的空空间间相干性，是理想的横模。相干性，是理想的横模。调调节节谐谐振振腔腔可可以以抑抑制制高高阶阶横横模模，在在腔腔内内放放置置适适当当孔孔径径的的光光阑阑，都都获获得得基基模模输出。输出。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！46