光电子技术第二章1.ppt
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1、第2章 光辐射的传播,2.1光波在大气中的传播 2.2 晶体光学基础(补充) 2.3光波在电光晶体中的传播 2.4光波在声光晶体中的传播 2.5光波在磁光介质中的传播,2.1 光波在大气中的传播,2.1.1大气衰减,在不考虑非线性效应的条件下:,简化为:,为大气衰减系数,大气对太阳辐射的减弱,太阳辐射在大气中的减弱,此即为描述大气衰减的朗伯定律它表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。,衰减系数描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响所以可表示为:,单位:,1大气分子的吸收,定义:光波在大气中传播时大气分子在光波电场的作用下产生极化,并以入射光的频率做受迫振动。所以为了克服大气分
2、子内部阻力要消耗能量,表现为大气分子的吸收。,吸收特性与什么因素有关:依赖于光波的频率。由于不同分子的各自结构不同,从而表现出完全不同的光谱吸收特性。同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系,即物质自身发射哪些波长的光,它就强烈吸收这些波长的光。,原因:按照经典的电磁理论,原子可以看成是一系列弹性偶极振子的组合,其中每个振子有一定的固有频率,于是原子就有了一系列的固有频率。这种偶极振子一旦被外部能源激发,每个振子都会以其固有频率作简谐振动,并向周围空间发出同一频率的单色电磁波,从而在发射光谱上形成一条条的光谱线,形成了原子气体的线状发射光谱。当包含有各种频率的白光照射在原子气体上时,只
3、有那些频率与原子有固有频率一致的电磁波,会引起共振而被原子气体强烈地吸收。,例如:振荡电偶极子辐射。,【补充:极化】,大气窗口按所属范围不同分为光学窗口、红外窗口和射电窗口。,1)光学窗口: 可见光波长约30007000埃。 2)红外窗口 :较强的水汽吸收带位于0.710.735,0.810.84,0.890.99,1.071.20,1.31.5,1.72.0,2.43.3,4.88.0。在13.517处出现二氧化碳的吸收带。这些吸收带间的空隙形成一些红外窗口。 3)射电窗口: 这个波段的上界变化于15200米之间,视电离层的密度、观测点的地理位置和太阳活动的情况而定(见大气射电窗)。,大气窗
4、口:通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有: 紫外、可见光和近红外波段。,可见光和近红外区的主要吸收物质是: 和,吸收作用,氧、臭氧、水汽和CO2,主要的吸收成分,各成分的吸收波段,2 大气分子散射,散射的原因:一是:光波的电场使大气分子产生了极化,形成振动的电偶子,从而发出次波,由于大气密度不均匀,从而导致次波的相干性遭到破坏。二是由于大气中存在各种微粒,因此一部分光辐射会向其他方向传播,从而导致在各个方向上的散射。,定义:指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。,*各种散射,【瑞利散射】,分子散射理论是瑞利(Rayleigh)在试图解释天空
5、为何呈现蓝色这样一个问题时提出的。 1871年他假设散射粒子是半径远小于光波波长、球形的各向同性粒子,其密度大于周围环境,用弹性固体以太学说,得出了现在被称为瑞利散射的基本特征,即散射能力和粒子体积平方成正比,和波长4次方成反比。 1899年瑞利再一次研究天空发光问题,这一次他放弃了弹性固体以太学说,而用Maxwell电磁理论,得到了相同的结果。,瑞利散射:发生的条件是光波长远大于分子的线度。,大气中瑞利散射系数的经验公式:,散射光强与(1cos)成正比,为散射光与入射光间的夹角,称散射角。,原理:当光线入射到不均匀的介质中,如乳状液、胶体溶液等,介质就因折射率不均匀而产生散射光。,特点1:,
6、特点2:,特点3:,散射光波长与入射光波长相同。,散射光有很高的偏振度,尤其在90散射角附近,几乎是全偏振的。,特点4:,利用散射解释天空颜色的变化,3 大气气溶胶的衰减,大气气溶胶:分散在大气中的固体粒子或液滴所构成的悬浮体系 。主要是粒度在0.03um2000um之间的固态和液态微粒。大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。,溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射和吸收。,米氏散射:当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时,产生米氏散射。,*大气能见度测量,米氏散射理论表明,只有当球形粒子的半径a0.32时,瑞利的散射规律才是正确的,a较大时,散射光强与波长的关系就不十分明显了。因此,用白光
7、照射由大颗粒组成的散射物质时(如天空的云等),散射光仍为白光。,对气溶胶而言,主要考虑米氏散射。,D=0.0001um,D=0. 1um,D=1um,(1)晴朗、霾、雾大气的衰减,【大气能见度】,由Koschmeider(1924)提出的大气水平能见度公式:,色温为2700k的白炽灯光源发出的平行光束在大气中传输衰减到出射时的5%时,传输的距离。,在可见光和近红外波段,大气对光的吸收作用可以忽略不计,另外,在晴朗时候,大气中只存在分子散射对衰减系数的贡献,这时能见度可达227km,所以通常忽略分子散射的作用。因此,在可见光和近红外波段,气溶胶粒子的散射是光衰减的主要因素。,能见度的测量方法:透
8、射法、激光雷达后向散射法和前向散射法。,前向散射能见度测量系统的工作原理图,2.2 晶体光学基础(补充),2.3 光波在声光晶体中的传播,声光作用的物理基础是超声波引起晶体的应变场,使射人晶体中的光被这种弹性波衍射,这种物理现象称为弹光效应。,弹光效应的物理机制是:晶体在应力的作用下发生形变时,分子间的相互作用力发生改变,导致介电常量 (及折射率n)的改变,从而影响光波在晶体中的传播特性。,弹性变形晶体受外力作用产生变形可分为两种形态:晶体受外力作用时产生形变,当撤去外力后,晶体仍能恢复到初始状态晶体受外力作用时产生形变,当撤去外力后,晶体仍能恢复到初始状态而是保持在一种新的准平衡位置上,即发
9、生了永久形变。前者称为弹性变形,后者称为范性变形,*应变、应力及弹性性质,1一维应变,这一段弦的应变为:,2.2.1 晶体的弹性性质,2二维应变,3应力张量,一种是:作用在整个体元上的力,其数值正比于体元的体积,称为彻体力(例如重力);另一种是从体元周围的物体作用于体元表面上的力,其数值正比于体元表面的面积,这种力称为应力。,*某一体元所受的力分为两种类型:,应力的标记方法:,胡克定律:,弹光系数张量,没加声场时:,折射率椭球方程,加声场后:,【声光衍射】,在晶体中传播的超声波,会造成晶体的局部压缩或伸长,这种由于机械应力引起的弹光效应使晶体的介电常量发生变化,因而折射率也发生变化,于是,在介
10、质中形成了周期性的有不同折射率的间隔层,这些层以声速运动,层间保持声波波长一半的距离。通过这种分层结构时,就发生衍射,引起光强度、频率和方向随超声场的变化,声光调制器与偏转器正是利用声致光衍射的这些性质来实现的。,声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。,设声波的角频率为: 波矢为 则沿x方向传播的声波方程为:,介质折射率的变化正比于介质质点沿x方向位移的变化率,即:,1)声波为行波时的介质折射率:,式中S为超声波引起介质产生的应变;P为材料的弹光系数.,2)超声驻波形成的折射率变化为:,即,晶体中形成“凝固”的空间光栅。,声驻波在一个周期内,介质两次出现疏密层,且在波节处密度保持不变,因而折
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