1、袁国良、李元元编著袁国良、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
2、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
3、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)电磁波的传播速度与光相同，表明光电磁波的传播速度与光相同，表明光波也是一种电磁波波也是一种电磁波(5)电磁场的能量和能流可以用能量密度电磁场的能量和能流可以用能量密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 光矢量光矢量在光波中，产生感光作用与生理作用的在光波中，产生感光作用与生理作用的主要是电场强度主要是电场强度E，所以电矢量，所以电矢量E称为光称为光矢量。矢量。干涉现象是波动过程的基本特征之一。干涉现象是
4、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，即产生干的振动始终减弱或完全抵消，即产生干涉现象。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般光源发出的光是不相干的，但是可以
5、采用下列两一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：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 杨氏双缝实验是最早利用单一光源形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典型实验。它是利用分波阵面法获得的。的。(2) (2) 洛埃镜实验洛埃镜实验 洛埃镜实验不但显示了光的干涉现象，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而且还显示了当光由光疏媒质射到光密
6、媒质并在其表面反射时，反射光的密媒质并在其表面反射时，反射光的位相发生了变化。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，称射光之间附加了半个波长的波程差，称为半波损失。为半波损失。 2）光的相干性）光的相干性光程与光程差光程与光程差折射率折射率n n与光波在该媒质中传播的几与光波在该媒质中传播的几何路程何路程r r的乘积的乘积nrnr叫做光程。叫做光程。两束相干光在不同媒质中传播时，对两
7、束相干光在不同媒质中传播时，对干涉加强干涉加强(亮纹亮纹)和减弱和减弱(暗纹暗纹)条件起决条件起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= kk k=1,2, 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膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有两薄膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有两个方面：个方面：一方面是利用薄膜反射时，使某些波长的光一方面是利用薄膜反射时，
8、使某些波长的光因干涉而减弱，以增加透射光的强度，这种因干涉而减弱，以增加透射光的强度，这种薄膜称为增透膜；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，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。这种薄膜称为增反膜。 光的衍射 1 1）光的衍射现象）光的衍射现象惠更斯菲惠更斯菲涅耳原理涅耳原理光波绕过障碍物而传播的现象叫做光波绕过障碍物而传播的现象叫做光的衍射现象。光的衍射现象。当光源、接收屏都距衍射物无限远当光源、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时，这种入射光和衍射光都是
9、平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 单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明暗相间的直条纹，它们对称地分的明暗相间的直条纹，它们对称地分布在中央明纹两侧；布在中央明纹两侧； 明纹亮度不均匀，中央明纹最亮，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其它各级明纹的亮度将随着级数的增高而逐步减弱。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 为了提高测量精度，必须提供为了提高测量精度，必须提供一种又亮又窄、间隔又很大的明条一种又亮又窄、间隔又很大的明条纹。利用衍射
10、光栅可以做到这一点。纹。利用衍射光栅可以做到这一点。 衍射光栅分为：反射光栅和透衍射光栅分为：反射光栅和透射光栅，射光栅，它是近代物理实验中时常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。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)sina+b)sin= =kk k=0,1,2, k=0,1,2,(2-3-10)(2-3-10)形成亮度很大的明条纹。形成
11、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。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 平均来看，光矢量对于光的传播方向呈轴对平均来看，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。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
12、，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 把具有选择吸收性的晶体把具有选择吸收性的晶体(例如硫酸碘奎宁例如硫酸碘奎宁)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。将薄膜夹在两玻璃片之间，便制成了偏
13、振片。 偏振片允许通过的光振动方向，这个方向称作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。偏振化方向，也叫透光轴。从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光的过程叫起偏。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021I偏振化方向偏振化方向0I起偏器起偏器3 3）马吕斯定律）马吕斯定律（1880 年）年）NME0Ecos0EE 2020EEII检偏器检偏器起偏器起偏器0IIE0ENM20cosII 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
14、的强度为出射光的强度为0I 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, 一个用作检一个用作检偏器偏器. 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 , 一束单色一束单色自然光穿过它们自然光穿过它们, 出射光强为出射光强为 ; 当它们偏振化方向间当它们偏振化方向间的夹角为的夹角为 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 , 出射光出射光强为强为 , 且且 . 求两束单色自然光的强度之比求两束单色自然光的强度之比 .30601I2I21II 10I20I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
15、分别为经过起偏器后光强分别为 和和 .220I210I经过检偏器后经过检偏器后30cos22101II 60cos22202II 21012220cos 601cos 303IIII4 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 自然光入射在两种各向同性介质的分界面自然光入射在两种各向同性介质的分界面上时，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，布儒斯特在实验中发现：反射光年，布儒斯特在实验中发现：反射光的偏振化程度与入射角有关。当自然光以起偏的偏振化程度与入射角有关。当自然光以起偏
16、振角入射时，其反射光和折射光的传播方向相振角入射时，其反射光和折射光的传播方向相互垂直，且反射光成为线偏振光。互垂直，且反射光成为线偏振光。201tannin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。120tannni 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 .120sinsinnni00120cossintaniinni)2cos(sincos0i20i0i0i1n玻璃玻璃2n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
17、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0i5 5）光的双折射现象）光的双折射现象 光在两种各向同性的媒质的分界面上折光在两种各向同性的媒质的分界面上折射时，只有一束折射光线。射时，只有一束折射光线。但是，当一束但是，当一束自然光折入各向异性晶体时，例如光线进自然光折入各向异性晶体时，例如光线进入方解石晶体后，会分裂成为两束折射光入方解石晶体后，会分裂成为两束折射光线，它们沿不同方向折射，称为双折射现线，它们沿不同方向折射，称为双折射现象。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。光光通过通过双折射
18、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.eACBoeDeo2.4 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射 光的吸收、色散、散射都是光波与光的吸收、色散、散射都是光波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
19、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：0zIIe 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
20、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无线通信中，就要考虑大气对电磁在无线通信中，就要考虑大气对电磁波的吸收问题。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
21、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质的折射率介质的折射率n n是随波长是随波长的增加而减小的色散的增加而减小的色散叫正常色散。叫正常色散。 (3) (3) 反常色散反常色散反常色散是介质的折射率反常色散是介质的折射率n n随着波长随着波长的增加而的增加而增加，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光通过不均匀介质时，会偏离原来的方向而当光通过不均匀介质时，会偏离原来的方向而向四周传播，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
22、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：()00aszzII eI e(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。4)(fI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
23、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。 要是没有大气层，（即可看作真空），就没有要是没有大气层，（即可看作真空），就没有散射作用，我们只能看到太阳悬挂在漆黑的空散射作用，我们只能看到太阳悬挂在漆黑的空中，宇航员常见的就是这种现象。落日和朝阳中，宇航员常见的就是这种现象。落日和朝阳为什么是红色，且天空呈蓝色，这是因为这时为什么是红色，且天空呈蓝色，这是因为
24、这时太阳几乎平行地面，穿过的大气层最厚，所有太阳几乎平行地面，穿过的大气层最厚，所有短波的光都朝侧面散射，仅剩下红光到达观察短波的光都朝侧面散射，仅剩下红光到达观察者，这时接连地面的空气中有大量的尘埃，增者，这时接连地面的空气中有大量的尘埃，增强了散射作用，这时，天空为蓝色，云块为红强了散射作用，这时，天空为蓝色，云块为红色。正午的阳光为什么是白色？这时太阳光穿色。正午的阳光为什么是白色？这时太阳光穿过大气层最薄，散射不多，故为白色。过大气层最薄，散射不多，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
25、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 激光原理 激光激光LaserLaser（Light amplification Light amplification by stimulated emission of by stimulated emission of radiationradiation），是指光的受激辐射放），是指光的受激辐射放大。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
26、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获得光放大，就必须有高能级粒子数要获得光放大，就必须有高能级粒子数N N2 2大大于低能级粒子数于低能级粒子数N N1 1的分布，称为粒子数反转的分布，称为粒子数反转分布。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
27、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成一个激光器需要如下三个要素，构成一个激光器需要如下三个要素，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出激光的影响因素有：光学谐振腔的输出激光的影响因素有：光学谐振腔的腔长腔长L的影响，光学谐振腔反射镜的大小的影响，光学谐振腔反射镜的大小和形状的影响，分别称为纵模特性和横和形状的影响，分别称为纵模特性和横模特性。模特性。 (1) (1) 纵模纵模在激光谐振腔内，每一个谐振频率对应在激光谐振腔内，每一个谐振频率对应一个驻波模式，这种纵向振荡模式称为一个驻波模式，这种
28、纵向振荡模式称为纵模。纵模。3 3激光的模式激光的模式 激光谱线有一定频率范围激光谱线有一定频率范围，包，包含有限个纵模。只输出一个纵模的激光含有限个纵模。只输出一个纵模的激光器称为单纵模激光器，能输出多个纵模器称为单纵模激光器，能输出多个纵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) 横模横模激光腔内与腔轴垂直的横截面内的稳激光腔内与腔轴垂直的横截面内的稳定光场分布叫做横模。不同横模的光定光场分布叫做横模。不同横模的光场分布相差很大。场分布相差很大。基模的光强分布均匀，有较好的空间基模的光强分布均匀，有较好的空间相干性，是理想的横模。相干性，是理想的横模。调节谐振腔可以抑制高阶横模，在腔调节谐振腔可以抑制高阶横模，在腔内放置适当孔径的光阑，都获得基模内放置适当孔径的光阑，都获得基模输出。输出。
