1、物理光学光电信息学院叶玉堂物理光学光电信息学院前言光在介质中的传播过程，就是光与介质相互作用的过程。光的吸收、散射和色散是光在介质中传播时所发生的普遍现象，并且它们是相互联系的。第第5章章光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射物理光学光电信息学院第第5章章光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射(Absorption，dispersion and scattering of light)5.1 光与物质相互作用的经典理论(Classical theory)5.2 光的吸收(The absorption of light)5.3 光的色散(The dispersiondispersion of
2、 light)5.4 光的散射(The scatteringscattering of light)物理光学光电信息学院5.1.1 经典理论的基本方程均匀介质中电偶极子的电偶极矩为：/ , PPer r e= =(8-1)偶极矩Pr()电子离开平衡位置的距离 位移5.1 光与物质相互作用的经典理论(Classical theory)() () () ()Prn 思路:物理光学光电信息学院根据牛顿定律，作强迫振动的电子的运动方程为22ddddrrmeEfrgtt=其中 f 是 弹性系数，g 是 阻尼系数，E 是 入射光场，该方程是描述光与物质相互作用经典理论的基本方程。(8-3)运动方程运动方程
3、5.1.1 经典理论的基本方程物理光学光电信息学院i“2/ , / ,( ) exp( ) oogm fmeerr r E Ez itmm =+ + = = 令22ddddrrmeEfr gtt=得i()exp( ) EEz it=(8-5)基本方程基本方程5.1.1 经典理论的基本方程物理光学光电信息学院5.1.2 介质的复折射率i“2(/)()exp( ) orr remEz it + = ii2022exp( )()exp( )/() 1r()ooiiteE z i t meE zmi + = =20(- )r0r exp( ) rit=设试探解 得物理光学光电信息学院0r exp( )
4、 rit=i022() 1r()oeE zm i =i221r ( )exp( )()oeE zitm i = i222P1( )exp( )(=Np= Ner)oeEz i tm i =G(8-8)(8-7)N 单位体积内的偶极矩数量5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院i2221P ( )exp( )()oeEz i tm i =G( 1)orPE=JKJK即or oEEE PD = = +JKJK JKJK JK2220r1)1(oem i =2222011)1(oremin= =+, 即(8-13)5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院22220111()oenm i
5、=+ =+2220112 ()oNenm i =+稀薄气体5.1.2 介质的复折射率在弱极化情况下（稀薄气体) ，有1| 物理光学光电信息学院2220112 ()oNenm i =+写成复折射率形式，nni= ，则有()2222 22002Nem =+(8-20)()2220222 220012Nenm = +(8-19)复折射率5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院*2exp4exp( )(2 )ooIEE E k I zz= = = 表征光在介质中传播时强度衰减的速度, 消光系数。e() exp exp ()xpoooEz E iknz E ikkzEinknizz=写成沿 Z轴传
6、播的光波，其复振幅为(8-18)物理意义5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院曲线 - 曲线为光吸收曲线，在 0 附近，有强烈（共振） 吸收；n - 曲线为色散曲线， 0 附近为反常色散,远离 0为正常色散色散与吸收之间有密切联系。()2220222 220012Nenm = +()2222 22002Nem =+5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院全波段曲线22220112 ()jjjj o jNenm i =+(8-21)全波段的色散曲线5.1.2 介质的复折射率物理光学光电信息学院5.2.1 光吸收定律定义: 光通过介质后，光能转变为其它形式 的能量而使光强度减弱的现象
7、，称为光的吸收。1. Lambert law光强的减弱 dI 正比于 I 和 dx 的乘积 , 即ddaIIx=(8-22)强度公式与吸收系数5.2 光的吸收(The absorption of light)物理光学光电信息学院积分并代入边界件， 得()Ln ( )(0)LaoILILn LI=-吸收系数物理意义 : 光通过宽度为的介质后，光强减弱到原光强的 e 分之一。1/a=Aa( )0expaII l=(8-22)5.2.1 光吸收定律物理光学光电信息学院吸收系数- 消光系数的关系因此， Lambert law 可表示为04expII l=(8-26)(8-25)exp( 2 ) oII
8、 kL= )exp(0LIIa=42 = ka5.2.1 光吸收定律物理光学光电信息学院2. 比尔（Beer ）定律上式称为比尔定律。注意：朗伯定律对线性介质适用；比尔定律适用于低浓度溶液。溶液的吸收系数正比于吸收物质的浓度 c ，即正比于单位体积中的吸收分子数.aaAc =(8-27)( )0expII Acl=(8-28)5.2.1 光吸收定律物理光学光电信息学院5.2.2 一般吸收与选择吸收 吸收理论应用 : 激光稳频 , DPSSL , 空间光学和红外空间应用中应用波段的选择. 选择吸收：介质对光的吸收强烈 ,且随波长剧烈变化。如稀薄气体吸收区 0的吸收 一般吸收：介质对光的吸收很弱
9、,且随波长变化不大。如稠密介质吸收区 远离 0的吸收aa物理光学光电信息学院曲线5.2.2 一般吸收和选择吸收a一般吸收：小，随变化缓慢，远离a 0选择吸收：大，随变化剧烈，0 物理光学光电信息学院Infrared Window1 st 3 5 m2 nd 8 14 m5.2.2 一般吸收和选择吸收物理光学光电信息学院Two/Multi-Photons absorption 目前，已发现一个电子可以同时吸收多达 11 个光子。5.2.3 双 /多光子吸收 (T/MPA)物理光学光电信息学院1. MechanismTwo-Photon absorption5.2.3 双 /多光子吸收1.24 /
10、() ()Cgm E eV = Low level intensity, single photon absorptionIf ,ghE aLow ,High transmittance a High level input, 高光子密度电子在弛豫时间内吸收后续光子-T/M-PA, NL absorption , High物理光学光电信息学院2. Cutoff wavelength对N 光子吸收C = N (1.24/Eg )Silicon sees femtosecondSilicon sees femtosecond mid-infrared lightwith a band gap of
11、 1.12 eV, nonlinear multi-photon absorption by Si of 11 photons produces an electrical response that permits the measurement of radiation at wavelength 11 m.5.2.3 双 /多光子吸收物理光学光电信息学院Optical LimiterDetector &Eye Protection3. Applications5.2.3双 /多光子吸收物理光学光电信息学院5.2.3 双 /多光子吸收物理光学光电信息学院5.2.3 双 /多光子吸收物理光学
12、光电信息学院In the presence of a strong electric field, the absorption edgeof a semiconductor is shifted to longerwavelength.1. Phenomena5.2.4 电吸收 Electro-absorptionFig.15 Shift of absorption edge of GaAsGaAs due to due to electro-absorptionZero fieldcmV /103.15物理光学光电信息学院2. Three EffectFranz-Keldysh Effec
13、tWannier Stark EffectQuantum ConfinedStark Effect They are same as EA, but just for different materials !5.2.4电吸收Zero fieldcmV /103.1512333()( )2gmqEE= =1.24cgE =3. Mechanism For F-K effect,物理光学光电信息学院4. Applications EA-M / SElectro-Absorption Modulators/Switch-O-E Compatibility of MOEIC 5.2.4 电吸收Fig.15 Shift of absorption edge of GaAsGaAs due to due to electro-absorptionZero fieldcmV /103.15 Optical Overload Protection of Detectorswithout any physically inserting devicewithout any additional loss
