袁国良、李元元编着.ppt

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1、袁国良、李元元编著光纤通信简明教程第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，将发生光的全反射现象。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

2、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。光的干涉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

3、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

4、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。半波损失：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，称为半波损失。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=±kλk=1,2,…，反射光的干涉加强。入射光满足δ=±(k

5、+1/2)λk=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

6、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。2）夫琅和费单缝衍射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=±kλk=0,1,2,…(2-3-

7、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。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。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

8、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起偏。检验偏振光的过程，称为检偏。利用偏振片可以起偏和检偏起偏偏振化方向起偏器3）马吕斯定律（1880年）NM检偏器起偏器NM马吕斯定律强度为的偏振光通过检