光电子技术(第0章)

OptoelectronicTechnology光电子技术曾祥楷SchoolofOptoelectronicInformation,CQUT2013.3.11教材：光电子技术（2版），潘英俊，重庆大学出版社，2010成绩评定：平时成绩20分：考勤、组织纪律、作业；考试成绩80分相关课程：大学物理，电磁场与波，或集成光路（波导光学）第0章光电子技术发展概述（补）光电子技术：与光有关的光学（包括光子学Photonics）和（微）电子技术。光对人类的生活和社会的发展极重要。1.经典理论的发展：光的应用始于开天辟地；近代光学始于十七世纪初开普勒的光学研究，以望远镜和显微镜的发明为转折而发展起来。研究光的本性主要源于17世纪光到底是什么？17世纪时的两种对立学说：英IsaacNewton（1642-1727）：光是粒子流（微粒说）。荷兰ChristianHuggens（1629-1695）：光是光源发出的波（波动说—与现在的波动说不同）。5光的本性光的波粒二象性光学真正形成一门学科，从反射定律和折射定律算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。什么是光?光的本质是什么?光是由什么组成的?人们认识光的本性经过了艰难而又曲折的道路。6墨子、培根、达·芬奇等研究过光学现象。反射定律是人们很早就认识的光学定律之一。伽利略靠望远镜发现“新宇宙”，震惊世界。荷兰数学家斯涅尔发现了光的折射定律。笛卡尔提出了光的微粒说…7•法国科学家笛卡儿：首先提出了光的微粒说。生于1596年，是近代科学技术史上一位有多方面成就的伟大学者，其思想影响了整个17世纪。作为近代科学技术史上的伟大科学家，笛卡儿探索了科学技术的众多领域，取得了众多科研成果。（1）用微粒子涡动理论说明太阳和行星的运动；（2）证明了宇宙永远保存着同量的运动，提出了运动守恒定律。8牛顿：(1643.1.4-1727.3.31)，生于英格兰林肯郡的沃尔索普村；数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家；1661年入英国剑桥大学三一学院；1665年获文学士学位。随后两年在家乡躲避瘟疫；1667年回剑桥后当选为三一学院院委，次年获硕士学位；1669年任卢卡斯教授直到1701年；1703年任英国皇家学会长（学霸）；1706年受女王安娜封爵；他晚年潜心于自然哲学与神学。9牛顿对光学的贡献有：（1）1666年，牛顿在家休假期间，他用得到的三棱镜进行了著名的色散试验，发现白光是由不同颜色的光组成的；1672年，发表在《皇家学会哲学杂志》上，这是他第一次公开发表的论文。（2）1668年，他制成了第一架反射望远镜样机，1671年把改进的望远镜献给皇家学会，名声大震并选为皇家学会会员；奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。（3）强化了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且是最快的直线运动路径，成为当时的代表。10牛顿微粒说：光是直线传播的微粒流。（建立在笛卡儿基础之上）牛顿还进行了大量的观察实验和数学计算，现象，“牛顿环”的光学现象等等。“微粒说”认为：这些微粒从光源飞出，质量极小，忽略重力作用，在真空或均匀媒质中做惯性运动，并且走的是最快速的直线运动路径。白光是各不同颜色光组成主張微粒說的牛頓一直將已完成的著作《光學》延遲到虎剋死後才出版，光學出版後，奠定了微粒說的統治地位。11虎克和牛顿的关系一直充满了争论。两人存在较大的敌意。争论源于光学，1672年牛頓顿在皇家学会阐述观点，认为白光经过棱镜产生色散，分成七色光，他解释为不同颜色微粒的混合与分开，遭到主张波动说（如声的纵波）的虎克的尖锐批评。牛顿大怒，称虎克完全沒有理解自己这一划时代发现的意义，并威胁要离开皇家学会。12例如，为什么两束光可以彼此交叉通过而互不干扰?微粒说面临着许多棘手的问题：研究牛顿环时，牛顿认识到了光的周期性牛顿主张中有一个假设，就是媒质中光速比空气中的光速大。13惠更斯(Seep1-2）1690年提出波动说：光是在以太中传播的波动（局限1:以太）惠更斯波动学说，打破了当时流行的光的微粒学说，提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理。光的传播方式与声音（局限2:纵波）类似，不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。惠更斯设想:传播光的以太粒子非常之硬，有极好的弹性，光的传播就像振动沿着一排互相衔接的钢球传递一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快的速度传到最后一个球。14微粒说在解释光线从空气进入水中的折射现象时，需要假设；C水C空气这两种学说都可以解释一定的光学现象（光的直线传播、反射和折射定律）。波动说需要假设C水C空气但当时人们还不能准确地用实验方法测定光速因而无法根据折射现象去判断它们的优劣。杨氏实验：蜡烛放在开孔的纸前面，形成点光源；纸后再放一张开有两道平行狭缝的纸；光穿过两道狭缝投到屏幕上，形成明、暗条纹该实验现象证据确凿，无法反驳。微粒说无法说明两道光叠加在一起反而造成黑暗。19世纪后，波动说逐步发展为现在的波动理论：英国ThomasYoung干涉实验16而波动理论可解释：两孔距离屏上某点的距离不同，当距离差是波长的整数值时，光波同相加强，形成亮点；当距离差为半波长时，两列波反相抵消，造成暗点。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。ThomasYoung（1773-1829）的干涉实验及理论被说成“毫无价值”,牛顿学说及其影响仍居统治地位）（Seep58）17发现了光干涉、衍射（圆孔、菲氏）和偏振等现象。与微粒说格格不入，但原惠更斯理论也难解释增透膜薄膜干涉镜面检测圆屏衍射圆孔衍射钢针的衍射光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波18频率相同振动方向相同相位相同具有固定相位差在相遇区域产生干涉当光波间点着酒精灯，在其火焰上洒一些食盐，酒精灯发出黄色火焰；把带肥皂液薄膜的金属圈放在酒精灯旁适当的位置，使眼睛恰能看到由薄膜反射而生成的黄色火焰的虚像；当肥皂薄膜下垂到一定程度，就在虚像上出现了明暗相间的干涉条纹。19干涉条纹形成的原因：竖立的肥皂薄膜在重力作用下形成了上薄下厚的楔形。当酒精灯的火焰照射到薄膜上时，分别从膜的前表面和后表面反射的两列光波，它们频率相同，方向一致，能产生干涉。不同单色光的薄膜干涉条纹可见，波长λ越长，干涉条纹越宽20白光的薄膜干涉条纹——彩色条纹肥皂泡和水面上的油膜所呈现的美丽色彩。21衍射特点：①光传播方向会变，经障碍物后会绕到其几何阴影区；②在几何阴影区附近，波的强度会有起伏。22生活中，极少发现光绕到障碍物后面去的衍射现象只有当障碍物的尺寸与波长相近时，衍射现象才较显著。在空气中，无线电(10-103)米，可闻声波(102-10)米，其衍射现象极为常见而光波波长在可见光区是(0.4-0.7)微米，故其衍射现象少见。23自然光或非偏振光：电场振动方向漫无规则偏振：偏振光：电场矢量具有一定的规则振动面：线偏振光的振动方向与传播方向构成的平面。部分偏振光园偏振光椭园偏振光24在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的。在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。25虽然惠更斯发展了波动说，但他把光看成像声波一类的纵波，因此不能解释这些偏振、干涉和衍射现象。但是光波的本质到底是什么？是像水波？还是像声波呢？（菲涅尔出现了）26据此，他以严密的数学推理，圆满地解释了光的衍射，及一直以来困扰波动说的偏振问题。他研究了偏振光的干涉，确定了光是横波（1821）；他发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象(1823),用波动说解释了偏振面的旋转；他推出了反射定律和折射定律的定量规律，即菲涅耳公式；解释了马吕斯的反射光偏振现象和双折射现象，奠定了晶体光学的基础。菲涅耳由于在物理光学研究中的重大成就，被誉为“物理光学的缔造者”。菲涅耳认为光是一种波，但革命性地认为光是横波(类似水波，振子运动垂直于传播方向的波);而不是从胡克以来所认为的是纵波(类似弹簧波，振子运动与传播方向相同的波)。27菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微-波说战争的决定性事件。他获得了那一届的科学奖(GrandPrix)，同时一跃成为了可以和牛顿、惠更斯比肩的光学界的传奇人物。(Seep63)所以，AugustinJeanFresnel（1788-1827）基于弹性媒质力学波用数学表达了Huggens原理（Huggens-Fresnel原理），奠定了波动理论基础后，波动说才为大家所接受。281850年，法国傅科设计了一面旋转的镜子，让它用一定的速度转动，使它在光线发出并且从一面静止的镜子反射回来的这段时间里，刚好旋转一圈。这样，能够准确地测得光线来回所用的时间，就可以算出光的速度。到19世纪中期，微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了。因为根据粒子论，这个速度应该比真空中的光速要快，而根据波动论，这个速度则应该比真空中要慢才对。但不幸出现了傅科。经多次实验，测得的光速平均值等于2.98×108米/秒。值得一提的是，傅科在整个装置充入了水，测定了光在水中的速度。他发现光在水中的速度与空气中的速度之比近似等于3/4，正如等于水和空气的折射率之比，水中的光速慢于真空中的光速，与微粒理论的预言相悖。29法国JeanBernardLeonFoucault（傅科1819-1868）在1850观察到的水中光速比空气中的慢证实了波动说。30麦克斯韦预言了电磁波的存在，发现电磁波的传播速度与当时用精确实验室方法测得的光速非常接近。麦克斯韦没有把这一发现当成一种巧合，他相信这其中必定有物理上的奥秘。于是，在麦克斯韦的脑海里，显现了创造性的具有极其重大意义的新见解。他1865年预言了电磁波的存在麦氏的电磁场理论将长期以来彼此独立的电学、磁学与光学结合起来，实现了物理学中规模空前的大统一。但是，当时人们对麦克斯韦电磁场理论的深刻含义没有给予应有的重视。31英国JamesClerkMaxwell（1831-1879）总结了电磁学规律的方程组，从理论上证明了电磁波的存在并求出了电磁波的速度。该速度与当时测得的光速相近，启发人们推断光是电磁波。光的电磁理论可解释大多数光行为（但不包含量子概念）。目前仍广为应用该理论。在电磁波理论基础上，随着大功率激光的应用，发展了非线性光学（也适用）32ElectromagneticSpectrum331888年，德国年轻的物理学家赫兹用实验产生了电磁波，证明了电磁波的存在。同年，赫兹用实验测定了电磁波在空气中的传播速度，其结果与光在空气中传播速度相同。接着，赫兹又做了一系列的电磁实验。做了干涉、衍射、偏振等实验。这一切都清楚地表明，电磁波的性质与光波的性质相同。赫兹的实验，雄辩地证明了麦克斯韦电磁场理论的正确性，即证明了光的电磁波动理论的正确性，使人们对麦克斯韦在科学上取得的重大成就有了基本正确的估价。34光的电磁波动理论排除了机械以太困难。但是，代替机械以太的“电磁以太”也不能解释光与其它物质作用时的一些现象。人们形成了广义光的概念，即将波长短于远红外线的一切电磁波统称为光。光的电磁波动理论，使人类对光的认识更加深化，认识范围更加扩大。光具有波动性，光是电磁波。反常色散。电光效应，泡克耳斯效应。光是横波已十分清楚，其速度也精确测量30万公里/秒。但波动说还有一个小困难，即电磁以太问题。35Maxwell理论建立在以太假设基础上的。但法国HenriPoincare（1854-1912）提出不存在以太的观点；同时发现了一些新的现象，如光电效应、康普顿效应等，无法用纯波动说解释故，光到底是什么还没彻底清楚，波粒二相性？？362.量子光学（光子学）（1）否定以太迈克尔逊大地速度实验彻底否定了以太（绝对惯性系）的存在（Seep178、182-184）；AlbertEinstein（1879-1955）据此提出光速与光源、观察者的运动状态无关，否定了以太，创立了狭义相对论。电磁波在自由空间传播，其本身是物质实体。37（2）热辐射任何物体在一定的（绝对0度以上）温度上，都要辐射各种波长的电磁波，这种辐射与物体