集成光学 第八章-1

Electro-Optic Modulators

?8.1 Basic Operating Characteristics of Switches and

Modulators

?8.2 The Electro-Optic Effect

?8.3 Single-Waveguide Electro-Optic Modulators

?8.4 Dual-Channel Waveguide Electro-optic Modulators ?8.5 Mach-Zehnder Type Electro-Optic Modulators

?8.6 Electro-Optic Modulators Employing Reflection or

Diffraction

?8.7 Comparison of Waveguide Modulators to Bulk

Electro-Optic Modulators

在本章将学到

?单波导电光调制器的工作原理

?双沟道波导电光调制器的工作原理

?波导调制器比“体”调制器更为优越?如何设计波导电光调制器

重点掌握单波导电光调制器和双沟道波导电光调制器的工作原理

?modulator:调制器

?switch:开关

?modulation depth:调制深度?bandwidth:带宽

?insertion loss:插入损耗

?power consumption:功率损耗?isolation:隔离度

?Pockels effect:普克尔效应

?Kerr effect:克尔效应

?indicatrix:指标线;光率体?index ellipsoid:折射率椭球

?centrosymmetric:中心对称的

?single-waveguide electro-optic modulators:单波导电光调制器

?phase modulator:相位调制器

?polarizer:起偏器

?polarization–selective filter(usually called an analyzer):检偏器

?intensity modulator:强度调制器

?electro-absorption modulator:电致吸收调制器

?Franz-Keldysh effect:弗兰茨-凯第希效应(当一半导体材料中存在强电场时,材料的吸收光谱向长波方向移动)

?direct bandgap material:直接带隙材料

?depletion layer:耗尽层

?Mach-Zehnder interferometer:马赫---泽德干涉仪

?Permittivity:介电常数

This chapter begins the discussion of optical-signal modulation and switching. In many cases, the same device can function as either a modulator or a switch, depending on the strength of the interaction between the optical waves and the controlling electrical signal, as well as on the arrangement of input and output ports. The device is considered to be a modulator if its primary function is to impress information on a light wave by temporarily varying one of its properties. A switch, on the other hand, changes the spatial position of the light, or else turns it off and on.

8.1 Basic Operating Characteristics

of Switches and Modulators

One important characteristic of modulators and switches is the modulation depth, or modulation index, η. In the case of an intensity modulator in which the applied electrical signal acts to decrease of the

transmitted light, ηis given by

00)(I I I -=η(8.1.1)

where I is the transmitted intensity and I 0is the value of I with no electrical signal applied.

8.1.1 Modulation Depth

m I I I )(0-=η(8.1.2)

where I m is the transmitted intensity when maximum signal is applied. The maximum modulation depth, or extinction ratio, is given by

00max )(I I I m -=ηfor

I I m ≤(8.1.3)or by m o m I I I )(max -=ηfor

0I I m ≥(8.1.4)It is also possible to define the modulation depth for phase modulators, as long as the phase change can be functionally related to an equivalent intensity change.

If the applied electrical signal acts to increase the transmitted light intensity, ηis given by

For the case of interference modulators, it can be shown that the modulation depth is given by

)2(sin 2?η?=(8.1.5)

where ??is the phase change.

Modulation depth has been defined for intensity

modulators (and indirectly for phase modulators); however, an analogous figure of merit, the maximum deviation of a frequency modulator, is given by

0max f f f D m -=(8.1.6)

where f 0is the optical carrier frequency, and f m is the shifted optical frequency when the maximum electrical signal is applied.

8.1.2 Bandwidth

Another important characteristic of modulators and switches is the bandwidth, or range of modulation frequencies over which the device can be operated. By convention, that bandwidth of a modulator is usually taken as the difference between the upper and lower frequencies at which the modulation depth falls to 50% of its maximum value. In the case of a switch, frequency response is usually given in terms of the switching speed, or switching time. The switching time T is related to the bandwidth ?f by the expression

=π2(8.1.7)

f

T?

Minimizing switching time is most important when large-scale arrays of switches are used to route optical waves over desired paths. Similarly, modulation bandwidth is a critical factor when information channels are to be multiplexed onto the same optical beam. Thus, the unusually fast switching speed and wide bandwidth of waveguide switches and modulators, which will be discussed later in this chapter, make them particularly useful in large telecommunications system.

8.1.3 Insertion Loss

Insertion loss is another important characteristic of optical switches and modulators that must be known for system design. Insertion loss is generally stated in decibels, and for the case in which the modulating signal acts to decrease in the intensity, it is given by

)log(10

0I I L t i (8.1.8)

where I t is the optical intensity that would be

transmitted by the waveguide if the modulator were absent, and I 0is the intensity transmitted with the modulator in place, but with no applied signal.

For a modulator in which the applied signal acts to increase the transmitted intensity, the insertion loss is given by

)log(10

m t i I I L (8.1.9)

where I m is the transmitted intensity when

maximum signal is applied. Insertion loss is, of course, an optical power loss. However, it ultimately increases the amount of electrical power that must be supplied to the system, since higher power optical sources must be used.

8.1.4 Power Consumption

Electrical power must also be supplied to drive the modulator or switch. In the case of modulators, the required drive power increase with modulation frequency. Hence, a useful figure of merit is the drive power per unit bandwidth, P/?f, usually expressed in milliwatts per megahertz. As is discussed in more detail in Sect.8.7, a key advantage of channel-waveguide modulators is that they have a significantly lower P/?f than that required for bulk modulators.

8.1.5 Isolation

The degree of isolation between various

inputs and outputs of a switch or modulator is a major design consideration. In a modulator, the isolation between input and output is merely the maximum modulation index, as defined previously. However, it is usually expressed in decibels when used to specify isolation. In the case of a switch, the isolation between two ports (either input or output) is given by

21[]10log()isolation dB I I =-(8.1.10)

where I1is the optical intensity in the driving port, and I2is the intensity at the driven port when the switch is in the off state with respect to port 1 and 2. Thus, a switch with a signal leakage, or crosstalk, of 1% with respect to two ports would have 20dB isolation.

8.2 The Electro-Optic Effect

The fundamental phenomenon that accounts for the operation of most electro-optic modulators and switches is the change in index of refraction produced by the application of an electric field. In the most general case, this effect is non-isotropic, and contains both linear (Pockels effect)and nonlinear (Kerr effect)components. In crystalline solids, the change in index produced by the linear electro-optic effect, can be most conveniently characterized by the change in the components of the optical indicatrix matrix.

The equation of the index ellipsoid in the presence of an electric field is

11212121116

25242232222212=??? ??+??? ??+??? ??+??? ??+??? ??+??? ??xy n xz n yz n z n y n x n (8.2.1)

If x ,y , and z are chosen to be parallel to the principal dielectric axes of the crystal, the linear change in the coefficients due to an electric field E is given by

∑==??? ???3121j j ij i E r n (8.2.2)

where i =1,2,3,4,5,6, and where j =1,2,3 are associated with x ,y ,z , respectively.

If (8.2.2) is written in matrix form, the 6x3[r ij] matrix is called the electro-optic tensor. It can be shown that the linear electro-optic effect exists only in crystals that do not possess inversion symmetry. Even in the case of these non-centrosymmetric crystals, for most symmetry classes, only a few elements of the electro-optic tensor are nonzero. Hence, in the design of an electro-optic modulator or switch, both the waveguide material and its orientation with respect to the applied electric field must be chosen carefully. Nevertheless, many materials that can be used to make low loss waveguides, such as GaAs, GaP, LiNbO3, LiTaO3and quartz, also have significantly large Pockels coefficients, for certain orientation. Thus, the linear eletro-optic effect is widely used in integrated optic applications.

The nonlinear (quadratic) Kerr electro-optic coefficient is relatively weak in commonly used waveguide materials. Also, a nonlinear dependence in electric field introduces unwanted modulation crossproducts (distortion) into the modulated signal. Consequently, it is not particularly useful in most integrated optic applications.

物理光学第一章答案

第一章 波动光学通论 作业 1、已知波函数为:?? ? ???-?=-t x t x E 157 105.11022cos 10),(π,试确定其速率、波长和频率。 2、有一张0=t 时波的照片,表示其波形的数学表达式为 ?? ? ??=25sin 5)0,(x x E π。如果这列波沿负 x 方向以2m/s 速率运动, 试写出s t 4=时的扰动的表达式。 3、一列正弦波当0=t 时在0=x 处具有最大值,问其初位相为多少? 4、确定平面波:?? ? ??-+ + =t z k y k x k A t z y x E ω14314 214 sin ),,,(的传播方向。 5、在空间的任一给定点,正弦波的相位随时间的变化率为 s rad /101214?π,而在任一给定时刻,相位随距离 x 的变化是 m rad /1046?π。若初位相是 3 π ,振幅是10且波沿正x 方向前进, 写出波函数的表达式。它的速率是多少? 6、两个振动面相同且沿正x 方向传播的单色波可表示为: )](sin[1x x k t a E ?+-=ω,]sin[2kx t a E -=ω,试证明合成波的表达式可 写为?? ??? ???? ? ??+-?? ? ???=2sin 2cos 2x x k t x k a E ω。 7、已知光驻波的电场为t kzcoa a t z E x ωsin 2),(=,试导出磁场),(t z B 的表达式,并汇出该驻波的示意图。

8、有一束沿z 方向传播的椭圆偏振光可以表示为 )4 cos()cos(),(00π ωω--+-=kz t A y kz t A x t z E 试求出偏椭圆的取向 和它的长半轴与短半轴的大小。 9、一束自然光在30o 角下入射到空气—玻璃界面,玻璃的折射率n=,试求出反射光的偏振度。 10、过一理想偏振片观察部分偏振光,当偏振片从最大光强方位转过300时,光强变为原来的5/8,求 (1)此部分偏振光中线偏振光与自然光强度之比; (2)入射光的偏振度; (3)旋转偏振片时最小透射光强与最大透射光强之比; (4)当偏振片从最大光强方位转过300时的透射光强与最大光强之比. 11、一个线偏振光束其E 场的垂直于入射面,此光束在空气中以45o 照射到空气玻璃分界面上。假设n g =,试确定反射系数和透射系数。 12、电矢量振动方向与入射面成45o 的线偏振光入射到两种介质得分界面上,介质的折射率分别为n 1=1和n 2=。(1)若入射角为50o ,问反射光中电矢量与入射面所成的角度为多少?(2)若入射角为60o ,反射光电矢量与入射面所成的角度为多少? 13、一光学系统由两片分离的透镜组成,两片透镜的折射率分别为和,求此系统的反射光能损失。如透镜表面镀上增透

光学第一章习题及答案解析

物理与机电工程学院2011级应用物理班 姓名:罗勇学号:20114052016 第一章习题 一、填空题: 1001.光得相干条件为两波频率相等、相位差始终不变与传播方向不相互垂直。1015、迈克尔逊干涉仪得反射镜M2移动0、25mm时,瞧到条纹移动得数目为1000个,若光为垂直入射,则所用得光源得波长为_500nm。 1039,光在媒介中通过一段几何路程相应得光程等于折射率与__路程_得乘积。 1089、振幅分别为A1与A2得两相干光同时传播到p点,两振动得相位差为ΔΦ。则p点得光强I= 1090、强度分别为与得两相干光波迭加后得最大光强=。 1091、强度分别为I1与I2得两相干光波迭加后得最小光强=。 1092、振幅分别为A1与A2得两相干光波迭加后得最大光强=。 1093、振幅分别为A1与A2得两相干光波迭加后得最小光强=。 1094、两束相干光叠加时,光程差为λ/2时,相位差=。 1095、两相干光波在考察点产生相消干涉得条件就是光程差为半波长得倍,相位差为π得倍。 1096、两相干光波在考察点产生相长干涉得条件就是光程差为波长得倍,相位差为π得倍。 1097、两相干光得振幅分别为A1与A2,则干涉条纹得可见度v=。 1098、两相干光得强度分别为I1与I2,则干涉条纹得可见度v=。 1099、两相干光得振幅分别为A1与A2,当它们得振幅都增大一倍时,干涉条纹得可见度为不变。 1100、两相干光得强度分别为I1与I2,当它们得强度都增大一倍时,干涉条纹得可见度不变。 1101、振幅比为1/2得相干光波,它们所产生得干涉条纹得可见度V=。 1102、光强比为1/2得相干光波,它们所产生得干涉条纹得可见度V=。 1103、在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d,缝屏距为D,屏上任意一点p到屏中心p点得距离为y,则从双缝所发光波到达p点得光程差为。 1104、在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d,缝屏距为D,波长为λ,屏上任意一点p到屏中心p0点得距离为y,则从双缝所发光波到达p点得相位差为 1105、在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d,缝屏距为D,波长为λ,屏上任意一点p到对称轴与光屏得交点p0得距离为y,设通过每个缝得光强就是I0,则屏上任一点得光强I=。 1106、在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d,缝屏距为D,入射光得强度为I0,波长为λ,则观察屏上相邻明条纹得距离为。 1107、波长为600nm得红光透射于间距为0、02cm得双缝上,在距离1m处得光屏上形成干涉条纹,则相邻明条纹得间距为__3_mm。 1108、在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d,缝屏距为D,屏上干涉条纹得间距为Δy。现将缝距减小一半,则干涉条纹得间距为。 1109、在杨氏双缝干涉实验中,用一薄云母片盖住实验装置得上缝,则屏上得干涉条纹要向_上移_____移动,干涉条纹得间距不变_____。 1110、在杨氏双缝干涉实验中,得到干涉条纹得得间距为Δy,现将该装置移入水中,(n=3/4),则此时干涉条纹得焦距为。 1111、用波长为500 nm得单色光照射杨氏双缝,入用折射率为1、5得透明薄片覆盖下缝,发现原来第五条移至中央零级处,则该透明片得厚度为_______________。 1112、增透膜就是用氟化镁(n=1、38)镀在玻璃表面形成得,当波长为λ得单色光从空气垂

光学教程答案(第一章)

1. 波长为nm 500的绿光投射在间距d 为cm 02 2.0的双缝上,在距离cm 180处 的光屏上形成干涉条纹,求两个亮条纹之间的距离.若改用波长为nm 700的红光投射到此双缝上,两个亮条纹之间的距离又为多少?算出这两种光第2级亮纹位置的距离. 解:由条纹间距公式 λ d r y y y j j 0 1= -=?+ 得 cm 328.0818.0146.1cm 146.1573.02cm 818.0409.02cm 573.010700022.0180cm 409.010500022.018021222202221022172027101=-=-=?=?===?===??==?=??== ?--y y y d r j y d r j y d r y d r y j λλλλ 2.在杨氏实验装置中,光源波长为nm 640,两狭缝间距为mm 4.0,光屏离狭缝的距离为 cm 50.试求:(1)光屏上第1亮条纹和中央亮条纹之间的距离;(2)若p 点离中央亮条纹为mm 1.0,问两束光在p 点的相位差是多少?(3)求p 点的光强度和中央点的强度之比. 解:(1)由公式 λd r y 0 = ? 得 λd r y 0= ? =cm 100.8104.64.05025--?=?? (2)由课本第20页图1-2的几何关系可知 52100.01 sin tan 0.040.810cm 50 y r r d d d r θθ--≈≈===?

5 21522()0.8106.4104 r r π ππ?λ --?= -= ??= ? (3) 由公式 22 22 121212cos 4cos 2I A A A A A ? ??=++?= 得 8536.04 2224cos 18cos 0cos 421cos 2 cos 42cos 42220 2212 212020=+=+= =??=??= =π ππ??A A A A I I p p 3. 把折射率为1.5的玻璃片插入杨氏实验的一束光路中,光屏上原来第5级亮条纹所 在的位置为中央亮条纹,试求插入的玻璃片的厚度.已知光波长为6×10-7 m . 解:未加玻璃片时,1S 、2S 到P 点的光程差,由公式2r ?π λ??= 可知为 Δr =215252r r λ πλπ-= ??= 现在 1S 发出的光束途中插入玻璃片时,P 点的光程差为 ()210022r r h nh λλ ?ππ'--+= ?=?=???? 所以玻璃片的厚度为 421510610cm 10.5r r h n λ λ--= ===?- 4. 波长为500nm 的单色平行光射在间距为0.2mm 的双狭缝上.通过其中一个缝的能量为另一个的2倍,在离狭缝50cm 的光屏上形成干涉图样.求干涉条纹间距和条纹的可见度. 解: 6050050010 1.250.2r y d λ-?= =??=m m

第一章 光学基础1

第一章光学基础 第一节光与介质 光是能量的一种,它的单位叫光量子。光是电磁波中的一部分,它和宇宙射线、X射线、无线电波及电视电波等都属电磁能(图1-1)。本章所讲的是电磁波中的可见光。光用波长表示,旧制用埃(A=10-10m=0.1nm),亦可用纳米(1 nm=10-9 m)。可见光的范围在400~750 nm之间。短于400 nm为紫外线,长于750 nm者为红外线。自然界的可见光是白的,用三棱镜分光后可把白光分解为红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色。 所有本身能发光的物体,称为发光体或光源。自然界中大多数物体不发光。光遇到不发光物体时,根据物体性质和表面特征不同程度地将光反射回来,眼睛借着物体表面的乱反射来辨别宇宙中的物体。光在宇宙中是直线进行的,在进行过程中遇到物体时,则依照物体的透光程度、密度大小、表面曲度和表面光洁程度发生反射、吸收和折射。 光遇到透明物质,如水和玻璃时可以穿过,因而可以通过这些物质观察物体,这些物质称为透明体或光学介质。只有部分光可以通过的物质,称为半透明物,如毛玻璃或薄的纸。光不能通过的物体称不透明物。光在完全透明的介质中行进时,由于没有光反射到我们的眼睛,因而看不到光的存在,但没有一种介质能允许所有的投射光完全通过,也没有一种物质能将所有的光完全吸收或者反射。透明体的厚度愈增加,透过的光愈减少;反之,物体愈薄,透过的光愈多。例如,水是透明介质,少量时允许大部分的光通过。看起来它是透明的,但只有极微弱的光能透过极深的海底,所以海底是一个黑暗世界。任何薄到一定程度的物质都可变为透明或半透明,因此透明和不透明是相对的。 某些透明体吸收光谱中可见光的一部分或大部分,只允许其它一部分光谱通过。例如,黄玻璃只允许黄光通过,红玻璃只允许红光通过,其它的光谱全部被吸收。因此,我们通过这种玻璃只看到黄的或红的物体。某些不透明物体能够吸收光谱中的一部分而将其余部分反射回来。因而我们能辨别它的颜色。例如,红布吸收了可见光中所有的短波光,只将长波的红光反射回来,所以我们看到它是红色。 第二节光的折射(屈光) 光在同一均匀透明的介质中沿直线方向行进。若光由一介质射入另一密度不同的介质时,在两介质的交界处,除一部分被反射回到第一介质中外,另一部分透入第二介质中,并在两介质的分界处突然改变其行进方向。这种现象称光的反射或屈光。

高等光学第一章课后答案

1.4 在光学中场量()t r E , 和()t r H , 的表达方法有许多种,分别推倒采用以下三种 表达方式时平均光强的计算公式。 (1)设场量表示为()()t j e r E t r E ω-= 0,,()()t j e r H t r H ω-= 0, (2)设场量表示为()()..21,0c c e r E t r E t j +=-ω ,()()..2 1,0c c e r H t r H t j +=-ω (3)设场量表示为()()..,0c c e r E t r E t j +=-ω ,()()..,0c c e r H t r H t j +=-ω 解: (1)电场强度和磁场强度乘积的大小为: ()()()() () 00002200000000011R e ,R e ,22 1 =4 1 =R e 2j t j t j t j t j t j t E r t H r t E e E e H e H e E H e E H E H E H e E ωωωωωω-*-*-****-????=+?+????+++ ()() 2000R e j t H e E H ω-*?? +? ? S E H =? 在上式中出现了两个场量相乘的情况,所以 ()00 1R e 2 I S E H * == ? (2)(),E r t 和(),H r t 均以实数表示,有 ()() ()()()()()() 000020000 ,,1111 222211 R e R e 22 j t j t j t j t j t S E r t H r t E r e E r e H r e H r e E H e E H ωωωωω-*-*-*=?????=+?+???? ???? =?+? 取时间平均值得 ()00 1R e 2 I S E H * == ? (3)(),E r t 和(),H r t 均以实数表示,有 ()() ()()()()()() 000020000 ,, 2R e 2R e j t j t j t j t j t S E r t H r t E r e E r e H r e H r e E H e E H ωωωωω-*-*-* =?????=+?+???? =?+? 取时间平均值得

光学第一章习题及答案教学教材

物理与机电工程学院 2011级 应用物理班 姓名:罗勇 学号:20114052016 第一章 习题 一、填空题: 1001.光的相干条件为 两波频率相等 、相位差始终不变和 传播方向不相互垂直。 1015.迈克尔逊干涉仪的反射镜M 2移动0.25mm 时,看到条纹移动的数目为1000个,若光为垂直入射,则所用的光源的波长为_500nm 。 1039,光在媒介中通过一段几何路程相应的光程等于折射率和__路程_的乘积 。 1089. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光同时传播到p 点,两振动的相位差为ΔΦ。则p 点的 光强I =22 12122cos A A A A ?++? 1090. 强度分别为1I 和2I 的两相干光波迭加后的最大光强max I =12+I I 。 1091. 强度分别为I 1和I 2的两相干光波迭加后的最小光强min I =。12I I - 1092. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光波迭加后的最大光强max I =12122A A A A ++。 1093. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光波迭加后的最小光强min I =12122A A A A +-。 1094. 两束相干光叠加时,光程差为λ/2时,相位差?Φ=π。 1095. 两相干光波在考察点产生相消干涉的条件是光程差为半波长的()2j+1倍,相位差为π的()2j+1倍。 1096. 两相干光波在考察点产生相长干涉的条件是光程差为波长的2j 倍,相位差为π的 2j 倍。 1097. 两相干光的振幅分别为A 1和A 2,则干涉条纹的可见度v=1221221A A A A ?? ?????+ ??? 。 1098. 两相干光的强度分别为I 1和I 2,则干涉条纹的可见度v= 1212 I I I I -+。 1099.两相干光的振幅分别为A 1和A 2,当它们的振幅都增大一倍时,干涉条纹的可见度为 不变。 1100. 两相干光的强度分别为I 1和I 2,当它们的强度都增大一倍时,干涉条纹的可见度 不变。 1101. 振幅比为1/2的相干光波,它们所产生的干涉条纹的可见度V=45。 1102. 光强比为1/2的相干光波,它们所产生的干涉条纹的可见度V=13 。 1103. 在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d ,缝屏距为D ,屏上任意一点p 到屏中心p 点的距离为y ,则从双缝所发光波到达p 点的光程差 为 1104. 在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d ,缝屏距为D ,波长为λ,屏上任意一点p 到屏中心p 0点的距离为y ,则从双缝所发光波到达p 点的相位差为

物理光学第三章 答案

第三章作业 1、波长为600nm的平行光垂直照在宽度为0.03mm的单缝上,以焦距为100cm的会聚透镜将衍射光聚焦于焦平面上进行观察,求:(1)单缝衍射中央亮纹的半宽度;(2)第一亮纹和第二亮纹到衍射场中心的距离。 2、求矩孔夫琅和费衍射图样中,沿图样对角线方向第一个次级大值和第二个次级大值相对于图样中心的强度。 3、在双缝的夫琅和费衍射实验中,所用光波的波长为632.8nm,透镜的焦距为80cm,观察到两相邻亮条纹之间的距离2.5mm,并且第5级缺级,试求:(1)双缝的缝宽与缝距;(2)第1,2,3级亮纹的相对强度。 4、平行白光射到在两条平行的窄缝上,两缝相距为2mm,用一个焦距为1.5m的透镜将双缝衍射条纹聚焦在屏幕上。如果在屏幕上距中央白条纹3mm处开一个小孔,在该处检查所透过的光,问在可见光区(390~780nm)将缺掉那些波长? 5、推导出单色光正入射时,光栅产生的谱线的半角宽度的表达式。如果光栅宽度为15cm,每毫米内有500条缝,它产生的波长632.8nm的单色光的一级和二级谱线的半角宽度是多少? 6、钠黄光包含589.6nm和589nm两种波长,问要在光栅的二级光谱中分辨开这两种波长的谱线,光栅至少应有多少条

缝? 7、设计一块光栅,要求:(1)使波长为600nm的第二级谱线的衍射角小于等于300;(2)色散尽可能的大;(3)第4级谱线缺级;(4)对于波长为600nm的二级谱线能分辨0.03nm的波长差。选定光栅的参数后,问在透镜的焦面上只能看见波长600nm的几条谱线? 8、一束直径为2mm的氦氖激光(632.8nm)自地球发向月球,已知月球到地面的距离为380000km,问在月球上接收到的光斑的大小?若此激光束扩束到0.15m再射向月球,月球上接收到光斑大小? 9、在正常条件下,人眼瞳孔直径约为2.5mm,人眼最灵敏的波长为550nm。问:(1)人眼最小分辨角(2)要分辨开远处相距0.6m的两点光,人眼至少离光点多近?(3)讨论眼球内玻璃状液的折射率(1.336)对分辨率的影响。 10、一个使用贡绿灯波长为546nm的微缩制版照相物镜的相对孔径为1/4,问用分辨率为每毫米400条线的底片来记录物镜的像是否合适? 11、一台显微镜的数值孔径为0.86,(1)试求它的最小分辨距离;(2)利用油浸物镜使数值孔径增大到 1.6,利用紫色滤光片使波长减小到420nm,问它的分辨本领提高多少?(3)为利用(2)中获得的分辨本领,显微镜的放大率应设计为多少?

光学教程第1章参考答案

1.1 波长为500nm 的绿光投射在间距d 为0.022cm 的双缝上,在距离 0r 为180cm 处的光屏上形成干涉条纹,求两个亮条纹之间的距离.若改用波长为700nm 的红光投射到此双缝上,两个亮条纹之间的距离又为多少?算出这两种光第2级亮纹位置的距离。 解:相邻两个亮条纹之间的距离为 m d r y y y i i 2922 0110409.01050010 022.010180----+?≈????==+=?λ 若改用700nm 的红光照射时,相邻两个亮条纹之间的距离为 m d r y y y i i 2922 0110573.01070010 022.010180----+?≈????==+=?λ 这两种光第2级亮条纹位置的距离为 m d r j y y y nm nm 392 2 120500270021027.3]10)500700[(10 022.0101802) (----==?≈?-????=-=-=?λλλλ 1.2 在杨氏实验装置中,光源波长为640nm ,两狭缝间距d 为0.4mm ,光屏离狭缝的距离 0r 为50cm.试求:(1)光屏上第1亮条纹和中央亮条纹之间的距离;(2)若P 点离中央亮条纹 0.1mm ,问两束光在P 点的相位差是多少?(3)求P 点的光强度和中央点的强度之比。 解: (1)因为λd r j y 0 =(j=0,1)。 所以第1亮条纹和中央亮条纹之间的距离为 m d r y y y 493 2 001100.810640104.01050)01(----?=????=-=+=?λ (2)因为0 21r yd r r -≈-,若P 点离中央亮纹为0.1mm ,则这两束光在P 点的相位差为 4 1050104.0101.01064022)(22339021π πλπλπ ?=??????-=-≈-=?----r yd r r (3)由双缝干涉中光强)](cos 1)[(A 2I(p)2 1p p ??+=,得P 点的光强为 ]22)[(A ]2 21)[(A 2)](cos 1)[(A 2I(p)2 1212 1+=+ =?+=p p p p ?,中央亮纹的光强为

光学信息技术第三章习题

第三章习题解答 3.1参看图3.5,在推导相干成像系统点扩散函数( 3.35 )式时,对于积分号前的相位因子 相对于它在原点之值正好改变n 弧度? 设光瞳函数是一个半径为 a 的圆,那么在物平面上相应 h 的第一个零点的半径是 多少? 时可以弃去相位因子 由于原点的相位为零,于是与原点位相位差为 的条件是 式中r x 2 y 2,而 试问 exp j#(x ; y o ) 2d o 2 2 x y i M 2 (1) 物平面上半径多大时,相位因子 exp j£(x 0 y 0) d o (2) (3) 由这些结果,设观察是在透镜光轴附近进行,那么 a ,入和d o 之间存在什么关系 exp k 2 2 (x 。 y 。) 2d o (2) y 2) 賦 2d o ,r o ... d o 根据(3.1.5 ) 式,相干成像系统的点扩散函数是透镜光瞳函数的夫琅禾费衍射图 样,其中心位于理想像点 (%, %) h(x °,y °;x, y) 1 2 d °d i 2 P (x,y)exp jp (xi %)2 (yi %)2]dxdy r circ 一 a J_aJ,2 a ) 2 d o d i

(3)根据线性系统理论,像面上原点处的场分布,必须是物面上所有点在像面上的点 扩散函数对于原点的贡献 h(x ),y 0;0,0) o 按照上面的分析,如果略去 h 第一个零点以 外的影响,即只考虑h 的中央亮斑对原点的贡献, 那么这个贡献仅仅来自于物平面原点 附近r 。 0.61 d 。/ a 范围内的小区域。当这个小区域内各点的相位因子 2 exp[jkr ° /2d °]变化不大,就可认为(3.1.3 )式的近似成立,而将它弃去,假设小区 域内相位变化不大于几分之一弧度(例如 /16 )就满足以上要求,则 kr ;/2d 0 16 2 r ° d °/16,也即 a 2.44. d 0 (4) 例如 600nm , d ° 600nm ,则光瞳半径a 1.46mm ,显然这一条件是极易满足 的。 3.2 一个余弦型振幅光栅,复振幅透过率为 放在图3.5所示的成像系统的物面上,用单色平面波倾斜照明,平面波的传播方向在 X 0Z 平 面内,与z 轴夹角为Bo 透镜焦距为 f ,孔径为D O (1) 求物体透射光场的频谱; (2) 使像平面出现条纹的最大B 角等于多少?求此时像面强度分布; (3) 若B 采用上述极大值, 使像面上出现条纹的最大光栅频率是多少?与B =0时的截 止频率比较,结论如何? (% y o )2 (d i 在点扩散函数的第一个零点处, J ,(2 a ) 0 ,此时应有2 a 3.83,即 0.61 (2) 将(2)式代入(1 )式,并注意观察点在原点 ( X i y 0) ,于是得 r o 0.61 d o a (3) t(X 0,y °) cos 2 f °X 0 2

工程光学习题解答(第1章)

第一章 1.举例说明符合光传播基本定律的生活现象及各定律的应用。 答:(1)光的直线传播定律 影子的形成;日蚀;月蚀;均可证明此定律。 应用:许多精密的测量,如大地测量(地形地貌测量),光学测量,天文测量。 (2)光的独立传播定律 定律:不同光源发出的光在空间某点相遇时,彼此互不影响,各光束独立传播。 说明:各光束在一点交会,光的强度是各光束强度的简单叠加,离开交会点后,各光束仍按各自原来的方向传播。 2.已知真空中的光速c 3×108m/s ,求光在水(n=1.333)、冕牌玻璃(n=1.51)、火石玻璃(n=1.65)、加拿大树胶(n=1.526)、金刚石(n=2.417)等介质中的光速。 解:v=c/n (1) 光在水中的速度:v=3×108/1.333=2.25×108 m/s (2) 光在冕牌玻璃中的速度:v=3×108/1.51=1.99×108 m/s (3) 光在火石玻璃中的速度:v=3×108/1.65=1.82×108 m/s (4) 光在加拿大树胶中的速度:v=3×108/1.526=1.97×108 m/s (5) 光在金刚石中的速度:v=3×108/2.417=1.24×108 m/s *背景资料:最初用于制造镜头的玻璃,就是普通窗户玻璃或酒瓶上的疙瘩,形状类似“冠”,皇冠玻璃或冕牌玻璃的名称由此而来。那时候的玻璃极不均匀,多泡沫。除了冕牌玻璃外还有另一种含铅量较多的燧石玻璃(也称火石玻璃)。 3.一物体经针孔相机在屏上成像的大小为60mm ,若将屏拉远50mm ,则像的大小变为70mm ,求屏到针孔的初始距离。 解: 70 60 50= +l l l =300mm 4.一厚度为200mm 的平行平板玻璃(设n=1.5),下面放一直径为1mm 的金属片。若 6 5 7 l

光学第1章习题及答案

第一章习题答案 1-1速度为v 的非相对论α粒子与一静止的自由电子相碰撞,试证明:α粒子的最大偏离角为104- rad 解:α粒子在实验室系及在质心系下的关系有: 由此可得: ?? ?=+=c c L c c c L v v v v v θθθθαα ααsin sin cos cos ① 由此可得:u C C L += θθθcos sin tan 其中u=αc c v v ② ()c e v m m v m +=αα0 0v m m m v e c += ∴αα ③ ∵ce c c e v -=-=ααα 与坐标系的选择无关 ∴ce c v v v -=α0 ④ 又∵0=+ce e v m v m αα ∴0v m m v e ce α- =代入④式,可得:0v m m m v e e c α α+= 由此可以得到: e c m m v v α α= 代入②式中,我们可以得到: rad m m m m e c e c L 410cos sin tan -≈≤ += α α θθθ 证毕 解法二: α粒子与电子碰撞,能量守恒,动量守恒,故有: ?????+'='+=e e v m v M v M v M mv Mv 22221212 1 ??? ????='-='-?222e e v M m v v v M m v v e v m p =? e p=mv p=mv ∴??,其大小: (1) 222 (')(')(')e m v v v v v v v M -≈+-= ααc c v v v +=

近似认为:(');'p M v v v v ?≈-≈ 2 2e m v v v M ∴??= 有 21 2 e p p Mmv ??=亦即: (2) (1)2/(2)得 224 2 2210e e m v m p Mmv M -?===p 亦即:()p tg rad p θθ?≈= -4~10 1-2(1)动能为5.00Mev 的α粒子被金核以90°散射时,它的瞄准距离(碰撞参数)为多大? (2)如果金箔厚1.0μm ,则上述入射α粒子束以大于90°散射(称为背散射)的粒子数是全部入射例子的百分之几? 解:(1)由库仑散射公式可得: b=2a cot 2θ=21E e Z Z 02214πεcot 2θ=21?E Z Z 21?0 2 4πεe cot 4π=21?5 79 2??1.44?1=22.752 fm (2)在大于90°的情况下,相对粒子数为: ?N dN '=nt(E Z Z 421?0 24πεe )2 ?Ω2 sin 4θd =t N M A A ρ (E Z Z 421?024πεe )2 Ω? d ππ θ θπ2 42 sin sin 2 =9.4?105 - 1-1 试问:4.5MeV 的α粒子与金核对心碰撞的最小距离是多少?若把金核改为7 Li 核,则结果如何? 解:α粒子与金核对心碰撞时金核可看作静止,由此可得到最小距离为: r m =a=E e Z Z 02214πε=E Z Z 21?0 24πεe =1.44?105 -?5 79 2?≈50.56 fm α粒子与7 Li 核对心碰撞时,我们可以在质心系下考虑,此时α粒子与锂核相对于质心的和动量为零,质心系能量为各粒子相对于质心的动能之和,因此有: 221v E C μ==m r e Z Z 02214πε+0= L Li Li E m m m +α 其中L E =21 mv 2为入射粒子实验室动能 由此可以得到m r = 024πεe L E Z Z 21Li Li m m m +α=3.02 fm

光学教程第三章

第三章 光学仪器基础 3-1 一个年龄50岁的人,近点距离为-0.4m ,远点距离为无限远,试求他的眼睛的调节范围。 解:5.24 .011=--∞=-=P R A D 3-2 某人在其眼前2m 远的物看不清,问需要配怎样光焦度的眼镜才能使其眼恢复正常?另一个人对在其眼前0.5m 以内的物看不清,问需要配上怎样光焦度的眼镜才能使其眼恢复正常? 解:第一个人是近视眼,所需眼镜的光焦度为:5.02 1-=- D 第二个人是远视眼,所需眼镜的光焦度为:25 .0125.01=- D 3-3 迎面而来的汽车的两个头灯其相距为1m ,问汽车在离多远时它们刚能为人眼所分辨?假定人眼瞳孔直径为3mm ,光在空气中的波长为0.5μm 。 解:眼睛的极限分辨角为:rad D e 336 102033.010 3105.022.122.1---?=???==λα 设汽车在离人眼l m 远时刚能被人眼所分辨,则两车灯对人眼所张的角度为: e l l αα=≈=222/1a r c t a n 2 ∴8.49181 ==e l αm 3-4 有一焦距为50mm ,口径为50mm 的放大镜,眼睛到它的距离为125mm ,求放大镜的视放大率和视场。 解:视放大率为:550 250250=='=Γf 线视场为:201255250 5005002=?? =Γ=d h y mm ∴视场为:?=='='62.2250 10arctan 222arctan 22f y ω 3-5 要求分辨相距0.000375mm 的二点,用55.0=λμm 的可见光斜照明,试求此显微镜的数值孔径。若要求二点放大后的视角为2',则显微镜的视放大率等于多少? 解:数值孔径为:7333.0000375 .000055.05.05.00=?==σλ NA

集成光学 第三章

Theory of Optical Waveguides ?The electromagnetic wave theory of the physical-optic approach is developed in detail. ?Emphasis is placed on the two basic waveguide geometries that are used most often in optical integrated circuits, the planar waveguide and the rectangular waveguide.

在本章中将学到 ?如何解波动方程并导出介质波导模式方程?介质波导中消逝场的特性 ?对称波导与非对称波导的截止条件 ?如何分析矩形波导 重点掌握波导中消逝场的特性、对称波导与非对称波导的截止条件、2种沟道波导的结构

?rectangular waveguide:矩形波导?standing waves:驻波?permeability:磁导率?transcendental equation:超越方程?confining layer:约束层?waveguiding layer:导引层?evanescent “tail” :消逝“尾”模?extinction coefficient:消逝系数?symmetric waveguide:对称波导?asymmetric waveguide:非对称波导

?channel waveguide:条形波导 ?strip-loaded waveguide:沟道波导 ?metal strip-loaded waveguide:金属狭缝沟道波导 ?dielectric strip-loaded waveguide:介质条沟道波导

工程光学习题参考答案第三章平面与平面系统

第三章平面与平面系统 1. 人照镜子时,要想看到自己的全身,问镜子要多长?人离镜子的距离有没有关系? 解: 镜子的高度为1/2人身高,和前后距离无关。 镜平行,问两平面镜的夹角为多少? 解: 寫 M 2M 3//OA /. M 1 N i IM 2M 3 又寫 l i =Ti 同理:a =|1 -|1 AM 1M 2M 3 中 (I 2-I 2)+ (14-14 )=180 2有一双面镜系统,光线平行于其中一个平面镜入射, 经两次反射后,出射光线与另一平面

Ct =60 3.如图3-4所示,设平行光管物镜 L 的焦距f' =1000mm 顶杆离光轴的距离 a =10mm 如 F 的自准直象相对于 F 产生了 y =2mm 勺位移,问平 面镜的倾角为多少?顶杆的移动量为多少? 解: 二 X = a x0 =10咒 0.001 = 0.01mm -■== 图3-4 点,透镜前方离平面镜 600 mn 有一物体 AB 经透镜和平面镜后,所成虚像 平面镜的距离为 150mm 且像高为物高的一半,试分析透镜焦距的正负,确定透镜的位 和焦距,并画出光路图。 答: a 角等于60 。 果推动顶杆使平面镜倾斜,物镜焦点 y =2f 0 0 - — =0.001rad e 二一 2>d000 ot 4. '光学系统由一透镜和平面镜组成,如图 3-29所示。平面镜 MM 与透镜光轴垂直交于 D

j L M B 」 L 1 A D 、 11 A 1 p A -L --------- 1 L ' ----- f c- 1 B M 、 1 1 1 1 1 '' r B ■ F 1 F r f 、 600 150 图3-29 习题4图 解:由于平面镜性质可得 A 'B '及其位置在平面镜前150mm 处 A B 为虚像,A B 为实像 又」 1 1 L' /. f = 150mm 旋转角0的关系,并画出关系曲线。如果像点移动允许有 允许的最大值。 则P 1 = + V L '4 600 -150 = 450 解得L = —300 = 150 答:透镜焦距为 100mm 5.如图3-30所示, 焦距为 f'=120mm 的透镜后有一厚度为 d =60mm 的平行平板,其折射 率n =1.5。当平行平板绕 O 点旋转时,像点在像平面内上下移动,试求移动量△ y'与 0.02 mm 的非线形度,试求 0

光学第1章习题及标准答案

第一章习题答案 1-1速度为v 的非相对论α粒子与一静止的自由电子相碰撞,试证明:α粒子的最大偏离角为104- r ad 解:α粒子在实验室系及在质心系下的关系有: 由此可得: ?? ?=+=c c L c c c L v v v v v θθθθαα ααsin sin cos cos ① 由此可得:u C C L += θθθcos sin tan 其中u=αc c v v ② ()c e v m m v m +=αα0 0v m m m v e c += ∴αα ③ ∵ce c c e v -=-=ααα 与坐标系的选择无关 ∴ce c v v v -=α0 ④ 又∵0=+ce e v m v m αα ∴0v m m v e ce α- =代入④式,可得:0v m m m v e e c α α+= 由此可以得到: e c m m v v α α= 代入②式中,我们可以得到: rad m m m m e c e c L 410cos sin tan -≈≤ += α α θθθ 证毕 解法二: α粒子与电子碰撞,能量守恒,动量守恒,故有: ?????+'='+=e e v m v M v M v M mv Mv 22221212 1 ??? ????='-='-?222e e v M m v v v M m v v e v m p =? e p=mv p=mv ∴??,其大小: (1) ααc c v v v +=

222 (')(')(')e m v v v v v v v M -≈+-= 近似认为:(');'p M v v v v ?≈-≈ 2 2e m v v v M ∴??= 有 21 2 e p p Mmv ??=亦即: (2) (1)2/(2)得 224 2 2210e e m v m p Mmv M -?===p 亦即:()p tg rad p θθ?≈= -4~10 1-2(1)动能为5.00Me v的α粒子被金核以90°散射时,它的瞄准距离(碰撞参数)为多大? (2)如果金箔厚1.0μm,则上述入射α粒子束以大于90°散射(称为背散射)的粒子数是全部入射例子的百分之几? 解:(1)由库仑散射公式可得: b=2a cot 2θ=21E e Z Z 02214πεco t2θ=21?E Z Z 21?0 2 4πεe co t4π= 21?5 792??1.4 4?1=22.752 fm (2)在大于90°的情况下,相对粒子数为: ?N dN '=nt(E Z Z 421?024πεe ) 2 ?Ω2 sin 4θd =t N M A A ρ (E Z Z 421?0 24πεe )2 Ω? d ππ θ θπ2 42 sin sin 2 =9.4?105 - 1-1 试问:4.5M eV 的α粒子与金核对心碰撞的最小距离是多少?若把金核改为7 Li 核,则结果如何? 解:α粒子与金核对心碰撞时金核可看作静止,由此可得到最小距离为: r m =a =E e Z Z 02214πε=E Z Z 21?0 24πεe =1.44?105 -?5 79 2?≈50.56 fm α粒子与7 Li 核对心碰撞时,我们可以在质心系下考虑,此时α粒子与锂核相对于质心的和动量为零,质心系能量为各粒子相对于质心的动能之和,因此有:

光学第一章知识题及答案解析

物理与机电工程学院 2011级 应用物理班 姓名:罗勇 学号:20114052016 第一章 习题 一、填空题: 1001.光的相干条件为 两波频率相等 、相位差始终不变和 传播方向不相互垂直。 1015.迈克尔逊干涉仪的反射镜M 2移动0.25mm 时,看到条纹移动的数目为1000个,若光为垂直入射,则所用的光源的波长为_500nm 。 1039,光在媒介中通过一段几何路程相应的光程等于折射率和__路程_的乘积 。 1089. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光同时传播到p 点,两振动的相位差为ΔΦ。则p 点的 光强I =22 12122cos A A A A ?++? 1090. 强度分别为1I 和2I 的两相干光波迭加后的最大光强max I =12+I I 。 1091. 强度分别为I 1和I 2的两相干光波迭加后的最小光强min I =。12I I - 1092. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光波迭加后的最大光强max I =12122A A A A ++。 1093. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光波迭加后的最小光强min I =12122A A A A +-。 1094. 两束相干光叠加时,光程差为λ/2时,相位差?Φ=π。 1095. 两相干光波在考察点产生相消干涉的条件是光程差为半波长的()2j+1倍,相位差为π的()2j+1倍。 1096. 两相干光波在考察点产生相长干涉的条件是光程差为波长的2j 倍,相位差为π的 2j 倍。 1097. 两相干光的振幅分别为A 1和A 2,则干涉条纹的可见度v=1221221A A A A ?? ?????+ ??? 。 1098. 两相干光的强度分别为I 1和I 2,则干涉条纹的可见度v= 12 12 I I I I -+。 1099.两相干光的振幅分别为A 1和A 2,当它们的振幅都增大一倍时,干涉条纹的可见度为不变。 1100. 两相干光的强度分别为I 1和I 2,当它们的强度都增大一倍时,干涉条纹的可见度

集成光学考试总结

第一章 1. 集成光学的分类: ?按集成的方式划分:个数集成和功能集成 ?按集成的类型划分:光子集成回路(PIC)和光电子集成回路(OEIC) ?按集成的技术途径划分:单片集成和混合集成 ?按研究内容划分:导波光学和集成光路 2. 集成光学的定义 (1)集成光学是在光电子学和微电子学基础上,采用集成方法研究和发展光学器件和混合光学-电子学器件系统的一门新的学科。 (2)集成光学是研究介质薄膜中的光学现象,以及光学元器件集成化的一门学科。 (3)集成光学是研究集成光路的特性和制造技术以及与微电子学相结合的学科。 3. 集成光学的主要应用 光纤通信,光子计算机,光纤传感 4. 集成光学系统有什么优点? 1)集成光学系统与离散光学器件系统的比较 (1)光波在光波导中传播,光波容易控制和保持其能量。 (2)集成化带来的稳固定位。 (3)器件尺寸和相互作用长度缩短;相关的电子器件的工作电压也较低。 (4)功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空间,导致较高的功率密度,容易达到必要的器件工作阈 值和利用非线性效应工作。 (5)体积小,重量轻。集成光学器件一般集成在厘米尺度的衬底上,其体积小,重量轻。 2)集成光路与集成电路的比较 把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上,并用光波导、隔离器、耦合器和滤波器等无源器件连接起来构成的光学系统称为集成光路,以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。 用集成光路代替集成电路的优点包括带宽增加,波分复用,多路开关。耦合损耗小,尺寸小,重量轻,功耗小,成批制备经济性好,可靠性高等。由于光和物质的多种相互作用,还可以在集成光路的构成中,利用诸如光电效应、电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应等多种物理效应,实现新型的器件功能。 第二章 1. 光波导的分类 (a)平板波导(slab waveguide) (b)条形波导(strip waveguide) (c)圆柱波导(cylindrical waveguide) 2. 会利用射线光学方法分析平板波导的覆盖层辐射波、衬底层辐射波和传导波的形成条件。

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