第二章信息光电子学基础课件.ppt

1、第二章第二章 信息光电子学基础信息光电子学基础 光学是一门古老而又年轻、极具生命活力的物理学科，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。信息光电子学研究内容1、光信息的产生、采集、传输、存储、处理、控制的运动规律。、光和物质的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的机械作用、光的热效应、光的电效应、光的化学效应、光的生理效应等。、光的本质的研究。内容可分为几何光学、波动光学、量子光学、现代光学。2.1 2.1 信息光电子学的理论体系的发展信息光电子学的理论体系的发展几何光学几何光学量子光学量子光学非线性光学非线性光学非线性光学-研究光与物质作用理论；电磁光学-基于Maxwell 方程的研究理论；量子

2、光学-基于量子论的理论；信息光电子学研究理论体系 周朝的金燧取火（公元前1000年）古埃及金字塔出土的平面镜（公元前1000年）；墨经中的光线传播，平面镜、凹面镜、凸面镜的 成像（公元前400年）；Euclid 的反射光学（公元前400年）；南宋沈括梦溪笔谈中，针孔成像、球面镜成像、虹霓、月蚀现象的描述。1.古代光学古代光学公元前公元前-16世纪世纪宏观光学现象的宏观光学现象的直观认识直观认识 信息光电子学发展史2.经典光学经典光学 17世纪世纪-19世纪世纪 Galilei（伽利略）望远镜（1610年），发现土星光环；Kepler（开普列）望远镜用于天体观测（1611），Kepler三定律；

3、Snell（斯涅尔）折射定律（1621年）；Fermat（费马）原理:“自然界以时间最短作为行为准则”（1657);Newton（牛顿）的微粒学说、色散实验（1666年）;Romer（罗默）根据木星的月蚀测出光速有限（214000km/s）（1676）；Huggens（惠更斯）的波动学说（1678）；Young（杨氏）的干涉实验（1801）；Fresnel（菲涅耳）的波动理论（1814）、反射折射定律(1832)Fizeau（斐索）用旋转齿轮测光速（315300km/s）(1849)Foucault（莱昂傅科）测出水中光速比空气中光速小（1850），与微粒学说矛盾，与波动说吻合；Maxwell

4、(麦克斯韦）的电磁波理论(1873)光速 Michelson&Morley 的干涉实验（1887）；19世纪末确立了光的波动理论的统治地位。世纪末确立了光的波动理论的统治地位。3.近现代光学近现代光学1900-量子论（1900）；Einstein（爱因斯坦）发现光电效应（1905）；de Broglie（德布罗意）的物质波理论（1924）；Born 的波粒二像性理论（1925）；Maiman激光器的诞生（1960）；Quantum Optics（量子光学）；Nonlinear Optics（非线性光学）；Integrated Optics（集成光学）；Optical Communication

5、（光通信）；Holography（全息学）；Photonics（光子学）；.现代光学的分支和技术萌芽时期（约公元前400年公元16世纪）成就 发现和总结了一些实验现象，如平面镜成像、透镜成像、凹凸面镜成像、针孔成像的现象和规律。造出了透镜、凹凸面镜、眼镜、暗箱等光学元件。几何光学时期（公元16世纪公元19世纪）成就 建立了光的反射和折射定律，奠定了几何光学的基础；发现了干涉、衍射、偏振等光的波动现象，以惠更斯为代表的波动说初步提出。造出望远镜（H.Lippershey，15871619年）、显微镜（Z.Janssen，15801656年），极大地推动了天文、航海、生物学的发展。为几何光学向波动

6、光学过渡时期，是人们对光的认识逐步深化的时期。波动光学时期（公元19世纪）成就 惠更斯菲涅耳原理成功地解释了光的直线传播、干涉、衍射和偏振现象，奠定了波动光学的基础；法拉第（M.Faraday，1791189717911897年）和麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831187918311879年）等人揭示了光学现象和电磁现象的内在联系，赫兹（H.R.hertz，1857189418571894年）测得电磁波的传播速度等于光速，确定了光的电磁理论基础。成功地测定了光的波长，用多种实验方法测定了光在各种介质中的传播速度。光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很总要的作用，使人们在认识光的本性方面

7、向前迈出了一大步。量子光学时期（公元19世纪末公元20世纪上半叶）成就 爱因斯坦（18791947年）发展了普朗克的能量子假设，提出了光的量子说，圆满的解释了光电效应，并被康普顿效应等许多实验证实，使人们认识到光的波粒二象性。光和一切微观粒子都具有波粒二象性，这个认识促进了原子核和基本粒子研究的发展，也推动人们进一步探索光和物质的本质，包括实物和场的本质问题。现代光学时期 20世纪60年代以来是光学发展最为迅速活跃的时期。成就 激光问世（T.H.Maiman，1927），全息术、微波、光纤、红外技术的应用乃至光计算机的研制，使光学成为现代物理学和现代科学技术领域最重要的前沿之一；理论上出现了许

8、多新的分支学科和边缘学科，如傅里叶光学、非线性光学、量子光学、激光光谱学、集成光学等。现代光学与其他科学技术的结合使人们对光本质的认识进一步向前发展，并在社会生活和生产活动中发挥极其重要的作用。信息光电子学信息光电子学光的产生光的产生光的传播光的传播光信息获取光信息获取热辐射理论热辐射理论光和物质相互作用光和物质相互作用自发辐射自发辐射大气中的光传播大气中的光传播晶体中的光传播晶体中的光传播薄膜介质中的光传播薄膜介质中的光传播光电信号的转换光电信号的转换光学成像光学成像人眼人眼受激辐射受激辐射光学变换光学变换介质传输光学介质传输光学几何光学几何光学真空中的光传播真空中的光传播物理光学物理光学经

9、典电磁场理论经典电磁场理论经典理论经典理论电磁光学、量子光学电磁光学、量子光学非线性光学非线性光学光电子发射效应光电子发射效应光电导效应光电导效应光伏效应光伏效应热效应热效应几何成像几何成像衍射成像衍射成像扫描成像扫描成像菲涅耳环带片成像菲涅耳环带片成像全息成像全息成像光谱变换光谱变换光信息控制光信息控制光信息处理光信息处理电光效应电光效应图像增强图像增强激光技术激光技术空间滤波空间滤波信息光电子学信息光电子学理论构架理论构架2.2 2.2 光信息的产生光信息的产生2.2.1 热辐射理论热辐射理论理论体系：经典电磁场理论，电偶谐振子振荡理论体系：经典电磁场理论，电偶谐振子振荡黑体辐射的基本定律

10、黑体辐射的基本定律普朗克定律：普朗克定律：1/5212)(kThcehcTMh:普朗克常数普朗克常数6.626310-34 WS2，k:玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数1.3810-23WsK-1斯忒藩玻耳兹曼定律（从一平方米表面积的黑体辐射斯忒藩玻耳兹曼定律（从一平方米表面积的黑体辐射到半球空间的总辐射量）到半球空间的总辐射量）斯忒藩玻耳兹曼常数：斯忒藩玻耳兹曼常数：40)()(TdTMTM(Wm-2)83245106687.5152hCk(Wm-2K-4)单位方向的辐射量：单位方向的辐射量：)()(TMTL4)(TTL 维恩位移定律：微分普朗克公式，求极大值，得维恩位移定律：微分普朗克公式，求极大

11、值，得到温度和峰值波长的关系到温度和峰值波长的关系峰值光谱辐射度：峰值光谱辐射度：（A2898mK）（b1.286210-11Wm-2K-5m-1）ATm5)(bTTMm2.2.2 光和物质的相互作用光和物质的相互作用u自发发射：经典电磁场理论，麦克斯韦方程，电偶极子自发发射：经典电磁场理论，麦克斯韦方程，电偶极子自发辐射自发辐射u受激发射：经典电动力学、电磁光学、半经典理论、量受激发射：经典电动力学、电磁光学、半经典理论、量子电动力学、量子电磁力学子电动力学、量子电磁力学u光谱变换：非线性光学光谱变换：非线性光学u麦克斯韦方程：经典电磁场理论麦克斯韦方程：经典电磁场理论理论体系：理论体系：2

12、.2.3 光辐射波长光辐射波长10141013101210111010109108107106105104103102101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10波长波长/m长电磁振荡长电磁振荡无线电波无线电波微波微波X射线射线 射线射线宇宙射线宇宙射线千米波千米波米波米波厘米波厘米波毫米波毫米波40 m1000 m6 m3 m760nm622nm597nm577nm492nm455nm380nm300nm200nm10nm远红外光远红外光中红外光中红外光近红外光近红外光红光红光橙光橙光黄光黄光绿光绿光蓝光蓝光紫光紫光近紫外光近紫外光远紫外光远紫外

13、光极远紫外光极远紫外光极远红外光极远红外光红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线2.3 2.3 光信息的描述光信息的描述1、单色波、单色波单色平面波：单色平面波：tirkirktieeEeEE)(0)(000可以分解为时间相位因子和空间相位因子可以分解为时间相位因子和空间相位因子球面光波：球面光波：)cos(1krtrAE)(1krtierAE柱面光波：柱面光波：)cos(1krtrAE)(1krtierAE高斯光束：高斯光束：tjfzzRrzkizwreeezwEtzrEarctan)(2)(000222)(),(020222)(1)(2wfzfzzRfzwzkyxr2、频率谱、频率谱zktE

14、EllNllcos10 detEEFtEti21)()(对于非单色光，它是由多个频率合成的光信号，针对于非单色光，它是由多个频率合成的光信号，针对于光波频率因子，及纵模，是时间上的频率对于光波频率因子，及纵模，是时间上的频率3、空间频率与空间频率谱、空间频率与空间频率谱)11(20)(000ztTirktieEeEET221fcos1rrfyxyfxfiyxyxdfdfeffEffEFyxEyx)(21),(),(),(在在 方向的空间频率：方向的空间频率：光波强度在空间上的分布光波强度在空间上的分布2.4.1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射u反射定律和折

15、射定律反射定律和折射定律u反射率和投射率反射率和投射率u反射和折射的相位特性反射和折射的相位特性u反射和折射的偏振特性反射和折射的偏振特性u全反射全反射2.4 2.4 光信息的传输光信息的传输2.4.2 光在各向同性介质中的传输光在各向同性介质中的传输u介质吸收介质吸收u介质色散介质色散u介质散射介质散射u光的衍射：夫浪和费衍射、菲涅耳衍射光的衍射：夫浪和费衍射、菲涅耳衍射2.4.3 光在各向异性介质中的传输光在各向异性介质中的传输u非线性效应非线性效应u晶体的双折射晶体的双折射u电光效应、声光效应、磁光效应等电光效应、声光效应、磁光效应等光信息技术基础光信息技术基础光信息的产生光信息的产生光

16、信息的传输技术光信息的传输技术光信息的采集光信息的采集黑体辐射技术黑体辐射技术激光技术激光技术非线性光学技术非线性光学技术光学传感器技术光学传感器技术人眼人眼光学成像技术光学成像技术光电信号转换技术光电信号转换技术激光雷达技术激光雷达技术图像信息识别技术图像信息识别技术光纤通信技术光纤通信技术激光空间通信技术激光空间通信技术光盘存储技术光盘存储技术全息存储技术全息存储技术激光加工技术激光加工技术激光医疗技术激光医疗技术光电对抗技术光电对抗技术强激光技术强激光技术激光生物技术激光生物技术光信息的存储技术光信息的存储技术光信息的显示光信息的显示图像显示技术图像显示技术光信息的控制技术光信息的控制技术光信息的加工及处理技术光信息的加工及处理技术空间滤波技术空间滤波技术光计算技术光计算技术图像增强技术图像增强技术空间光调制技术空间光调制技术2.5 2.5 信息光电子的技术基础信息光电子的技术基础