1、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激光原理计划学时:4学时,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,2.1 光的本质,（1）光线是按照直线传播,干涉现象是波动独有的特征,如果光是一种波,一定可以看到光的干涉现象.光在一些地方互相消弱,在另一些地方互相加强。因此，光被看成是振荡频率很高、波长极短的电磁波。其电磁波的频谱如图所示，图中给出不同频率范同内电磁波的自由空间波长和常用的名称。“光 指的是频谱中的红外光、可见光和紫外线部分的电磁波。,（2
2、）光具有波动性,频率与波长的关系为f=c/,可见光波长范围从0.4m(蓝光)到0.7m(红光) ，因为可见光在石英玻璃中衰减得很快，所以只有短的传输线路才可能实用。紫外线在石英玻璃中的损耗也很大。在红外区域，石英玻璃光纤在一些频段内却可以作为光波的有效传输材料。频段：波长为0.85m附近以及1.26m到1.75m之间。这些波长为光纤的传输窗口。,1m=10-6m,所有频段的电磁波都有与其相关的电场和磁场，并以相同的速度极快地传播。 真空(即自由空间)，电磁波的传播速率是c=3108m/s。 固体媒质，电磁波的传播速度与给定材料的特性和波导结构的几何形状相关。在媒质中光的波长则由下式给出=/f是
3、光在这种媒介中传输速度，f是其频率，由光源决定。,例如：考虑波长为0.8m(光纤窗口)的光辐射。利用=c，得到频率为3.751014Hz。这是极快的振荡，振荡的周期(频率的倒数)是2.6710-15s，是一个极短的时间间隔。,=/f,（3）光的量子性 很多场合，光的行为不象是一个波，更象是由许多微粒组合形成的物体，这种微粒称为光子。单个光子的能量是Wp=hf其中h=6.626 10-34Js，称为普朗克常数。能量的单位是焦耳。光子是最小的粒子对光了来说，一个用电子伏特为能量单位更方便，由一个电子在1伏电压中加速得到的动能来定义。电子伏特和焦耳之间的关系为 1电子伏特=1.6 10-19光子的能
4、量与其对应波长的曲线为,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 可见光的波长范围在0.40.76m之间，而常用的光纤通信系统工作在近红外区，波长为0.81.8m，对应的频率为167375THz。,一种电磁波,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
5、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 什么是光矢量在光波中，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,分波阵面法获得相干光 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： 分波阵面法 分振幅法, 分波阵面法,将光源的波阵面分为两部分，使之分别通过两个光具组
6、，经反射、折射或衍射后交迭起来，在一定区域形成干涉。 由于波阵面上任何一部分都可以看成为新光源，而且同一波阵面的各个部分有相同的位相，所以这些被分离出来的部分波阵面可作为初相位相同的光源，不论点光源的位相改变得如何快，这些光源的初相位差却是恒定的。, 分振幅法,当一光束投射到两种透明媒质的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射。这方法叫做分振幅法。最简单的分振幅干涉装置是薄膜，它是利用薄膜的上下表面对入射光反复地反射，由这些反射光波在空间相遇而形成的干涉现象。由于薄膜的上下表面的反射光来自同一入射光的两部分，只是经历不同的路径而有恒定的相位差，因此它们是相干光。,(1) 杨氏双缝干涉 最早利用
7、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象， M是一个平面镜，从狭缝S1射出的光，一部分直接射到屏幕P上，另一部分经过玻璃片反射后到达屏幕，反射光看成是由虚光源S2发出的，S1、S2构成一对相关光源，在屏幕上可以看到明、暗相间的干涉条纹,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。它把不同媒质中传播的复杂情况折算成相当于真空中的情形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。 两束光的位相差为=2,2)光程与光程差,nr,半波损失,入射光
8、在光疏媒质中前进，遇到光密媒质界面时，反射光发生相位突变180度(在离开反射点时的振动方向对入射光到达入射点时的振动方向恰好相反)，这相当于反射光少走了半个波长的波程，这种现象叫做半波损失。 如果入射光在光密媒质中前进，遇到光疏媒质的界面时，不产生半波损失 。,两束光总的光程差满足如下规律：,入射光满足：= k k=1,2, ， 反射光的干涉加强。入射光满足：=（k+1/2）2 k=1,2,， 反射光的干涉减弱。,例：空气中的水平肥皂膜厚度为e=0.32微米,折射率为n2=1.33如果白光垂直照射时,肥皂膜呈现什么色彩?,空气折射率n1n2,肥皂膜上下两表面反射而形成相干光,两束光的路程不同产生光程差2n2e反射光发生位相突变引起的光程差为/2总的光程:= 2n2e+ /2研究光的加强:2n2e+ /2= k得= 2n2e /(k-0.5)当k=1 1=1.7m k=2 2=0.567m k=3 3=0.34m,2在可见光内并呈现绿色,薄膜干涉:一列光波照射到透明薄膜上,从膜的前、后表面分别反射形成两列相干光波,叠加后产生干涉 3) 增透膜和增反膜主要应用：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。,
