第16章 导波光学基础 工程光学课件
《工程光学与技术》课件
智能制造需要高精度、高效率的光学检测和测量技术，工程光学将大有可为。
医疗健康
光学成像、光谱分析等技术将为医疗健康领域带来更多创新。
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《工程光学与技术》ppt课件
目录
• 工程光学概述 • 光学基础知识 • 工程光学技术 • 现代光学技术 • 工程光学实验 • 工程光学前沿与展望
01
工程光学概述
光学的基本概念
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。
光的传播
光在真空中沿直线传播，在其他介质中传播方向会发生改变。
光的反射、折射和散射
04
现代光学技术
非线性光学
非线性光学效应
非线性光学效应是光与物质相互作用时产生的非线性现象，如倍频 、和频、差频等。
非线性光学材料
非线性光学材料是实现非线性光学效应的关键，如晶体、玻璃、聚 合物等。
非线性光学应用
非线性光学在激光技术、光电子学、光通信等领域有广泛的应用，如 光参量振荡器、光倍频器等。
光子学与光子技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光子学基本概念
光子学是研究光子的产生、传播、相互作用和应 用的科学。
光子器件
光子器件是实现光子技术的关键，如激光器、光 放大器、光调制器等。
光子技术的应用
光子技术在通信、信息处理、传感等领域有广泛 的应用，如光纤通信、光计算等。
光学信息存储与处理
01
光学信息存储
光学信息存储是利用光的干涉、 衍射等光学效应实现信息的存储 和读取。
工程光学的研究内容
光学系统设计
研究光学系统的基本理论和设 计方法，涉及光学仪器、摄影
镜头、显微镜等。
光学材料与制造
导波光学基础
一、光纤的结构和类型
1、光纤的结构（如图15－1所示）
1
2、光纤的种类：
阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤：按光纤 横截面折射率分布划分。
单膜光纤和多膜光纤：按光传输模式划分。 特种光纤：
2
二、光纤Байду номын сангаас结构参数
1、光纤尺寸 2、数值孔径NA 3、相对折射率差
＝ n1 n2 n1
4、归一化频率（或结构参量） 5、折射率分布
3
三、光纤的传播损耗和色散
1、光纤的损耗
2、光纤的色散
4
第二节 光在平板光波导中的传播
图15－5 光在平板型光波导中的传播
一、平板光波导的射线理论 二、平板光波导中的场分布 三、耦合膜理论
5
第三节 导波光学的应用
一、光导纤维的应用
1、光纤通信
图15－10 光纤通信系统框图
6
二、光纤传感技术
1、种类 2、实例
图15－11 光纤温度传感器
7
三、导波光学的典型器件和应用
1、双通道电光调制器及光开关
图15－12 双通道电光调制器
8
2、马赫－泽德型干涉调制器
图15－13 马赫－泽德型干涉调制器
9
《光学》全套课件 PPT
τ
cosΔ
dt =0
τ0
I = I1 +I2
叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，
无干涉现象
2、相干叠加 满足相干条件的两束光叠加后
I =I1 +I2 +2 I1I2 cosΔ 位相差恒定，有干涉现象
若 I1 I2
I =2I1(1+cosΔ
)
=4I 1cos2
Δ 2
Δ =±2kπ I =4I1
r2
§1-7 薄膜干涉
利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和 折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。
一、薄膜干涉 扩展光源照射下的薄膜干涉
在一均匀透明介质n1中
放入上下表面平行,厚度
为e 的均匀介质 n2(>n1)，
用扩展光源照射薄膜，其
反射和透射光如图所示
a
n1
i
a1 D
B
n2
A
n1 C
2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、H、u三者满 足右螺旋关系，E、H各在自己的振动面内振动，具有偏振性．
3、在空间任一点处
εE = μH
4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，
为
u= 1 εμ
在真空中u= c =
1 ≈3×108[m ε0μ0
s 1]
5、电磁波的能量
S
=E
×H ,
只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形
成系统理论。
二、几何光学时期
•这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。
•李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。
•延森（1588～1632）和冯特纳（1580～1656）最早制作了复 合显微镜。 •1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。 • 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律
导波光学
导波光学清华大学电子工程系范崇澄等编著内容简介本书系1988年出版的同名教材的修改版。
全书由九章增至十二章，系统讨论了用于光通信、光传感和光信息处理的光波导的基本原理和特性。
内容包括光波理论的一般问题、平面与条形光波导、耦合波理论、阶跃和渐变折射率光导纤维中的场解、光波导中的损耗、信号沿光波导传输时的弥散、单模光纤中的双折射和偏振态的演化、光纤光栅、有源掺杂光纤以及光纤中的非线性等内容。
在叙述中强调基本物理概念和处理方法的思路，并介绍了本学科近期发展的某些重要成果。
本书适合于有关光通信、信息光电子学、电子物理、以及微波技术等专业的大学高年级学生及研究生阅读，并可作为有关领域的教学、科学研究和工程技术人员参考。
教学大纲总学时：60。
授课方式：讲课+自学。
主要内容（根据需要有所取舍）：第一章光导波理论的一般问题§1-1 导波光学的基本问题及研究方法§1-2 几何光学方法§1-3 波动光学方法及波动方程§1-4 电磁波在介质界面上的反射及古斯-汉欣位移§1-5 光波导中模式的基本性质§1-6 弱导近似§1-7 传播常数（本征值）的积分表达式及变分定理§1-8 相速、群速及色散特性§1-9 本地平面波方法§1-10 光束的衍射·几何光学及本地平面波方法的应用范围§1-11 介质波导与金属波导的若干比较第二章平面及条型光波导§2-1 用本地平面波方法平面光波导的本征值方程§2-2 用电磁场方法求解平面光波导§2-3 条形光波导的近似解析解§2-4 条形光波导的数值解法概述第三章耦合模理论§3-1 模式正交性的及模式展开§3-2 导波模式的激励§3-3 耦合模方程及耦合系数§3-4 耦合模理论的局限及其改进第四章导波光束的调制§4-1 光波调制的一般概念§4-2 晶体的电-光特性§4-3 光波导的电-光调制§4-4 定向耦合型调制器/开关第五章阶跃折射率光纤中的场解§5-1 数学模型及波动方程的解§5-2 模式分类准则及模式场图(本征函数)§5-3 导波模的色散特性及U值的上、下限§5-4 色散特性的进一步简化§5-5 弱导光纤中场的标量近似解—线偏振模§5-6 平均功率与功率密度§5-7 模式场的本地平面波描述第六章渐变折射率弱导光纤中的场解§6-1 无界抛物线折射率弱导光纤中场的解析解§6-2 WKB法求解导波模的本征函数及本征值§6-3 模式容积及主模式号·泄漏模§6-4 单模光纤的近似解法（一）——高斯近似§6-5 单模光纤的近似解法(二) -- 等效阶跃光纤近似（ESF）§6-6 单模光纤的近似解法(三) - 矩等效阶跃折射率近似及其改进§6-7 单模光纤的模场半径§6-8 单模光纤的截止波长第七章光波导中的传输损耗§7-1 损耗起因和损耗谱§7-2 本征吸收及瑞利散射损耗§7-3 杂质吸收§7-4 弯曲损耗§7-5 弯曲过渡损耗§7-6 连接损耗第八章信号沿线性光波导传输时的畸变§8-1 脉冲沿线性光波导传输时畸变的起因及描述方法§8-2 材料色散§8-3 g型多模光纤的模间弥散§8-4 单模光纤的色散§8-5 单模光纤的色散对系统色散的影响§8-6 新型石英系光纤第九章单模光波导中的双折射及偏振态的演化§9-1 双折射现象及其意义§9-2 双折射光纤的参数及其分类§9-3 光纤中的线双折射§9-4 光纤中的圆双折射§9-5 偏振态沿光纤的演化（一）—琼斯矩阵法§9-6 单模光纤中偏振态的演化(二)—邦加球法§9-7 偏振模色散在邦加球上的描述第十章光纤光栅§10-1 概述§10-2光纤布拉格光栅(FBG)的基本原理、结构和分析方法§10-3 常见的FBG§10-4 采样布拉格光栅(SBG)§10-5 长周期光纤光栅第十一章掺铒光纤放大器§11-1 引言§11-2 掺铒光纤放大器的基本工作原理与特性§11-3 EDFA内部物理过程的进一步讨论和Giles参数§11-4 EDFA的稳态工作特性§11-5 EDFA中的增益瞬态过程§11-6 EDFA的设计原则第十二章光纤中的非线性效应§12-1 引言§12-2 光纤中的非线性薛定鄂方程§12-3 光纤中的受激散射§12-4 光纤中的四波混频效应§12-5 自相位调制（SPM）§12-6 非线性色散光纤中信道内的噪声演化与调制不稳定性§12-7 信道间的串扰噪声：互相位调制(XPM)和受激拉曼散射(SRS) 结语。
《基础光学》PPT课件
n n 称为光焦度。
r
Φ与物、象位置无关，仅与两介质和界面有关
Φ 的单位为m-1, 用屈光度D表示，1D=1m-1
2．焦点和焦距
（1）光焦度
n n
r
r
n
n’
由 n n n n 有 P n
p p r
n
p
当p、n、n给定后，r P 。
光焦度Φ：表征折射球面的聚光本领。
① 是系统的固有特征量 表征折射面的聚光本领，它不因入射 光线的方向改变而改变。
A—B的路径应选择哪一条？
按费马原理C点的位置应使[ABC]为极值。 求路径 l 光程变分为0的条件：光线只取
x (n1l1 n2l2 ) 0
z
( n1l1
n2l2 )
0
的路径。
将l1、l2的表达式代入上式有
l ACB n1l1 n2l2
其中：
l1
y12 ( x x1 )2 z 2
v2
c
c
有 n1l1 n2l2
n1
n2
* 可见，光在不同的介质中，相同的时间内传
播的几何路程不同，但光程相同。
又有
t n1l1 n2l2
c
c
光程的概念可理解为： 光在介质中通过真实路程所需时间内，在真空中所能传播的距离。
借助光程，可将光在各种介质中走过的路程折算为在真空中的路程，便于比较光在 不同介质中传播所需时间长短。
光学
主讲 于国萍
武汉大学物理科学与技术学院 2010级
同 学 们 好！
主要参考书
• 赵凯华、钟锡华《光学》上下册 (北大) • 钟锡华《现代光学基础》（北大） • 郭永康、鲍培谛《基础光学》(四川大学) • 郭光灿、庄象萱《光学》(高教社) • 章志鸣、沈元华、陈惠芬《光学》(高教社) • 母国光、战元令《光学》(人民教育社) • E.赫克特；A.赞斯《光学》上下册 (高教社)
光学基本知识讲座PPT课件
心性将遭到破坏，产生各种成像缺陷。这种成
像缺陷就是像差。
像差分类：
对单色光：球差、彗差、象散、场曲、畸变
对多色光：位置色差、倍率色差
1.球差
由轴上一点发出的光线
经球面折射后所得的截距L’, 随入射光线与光轴夹角U或入 射光线在球面上的入射点的
高度而异，原来的同心光束 将不复为同心光束。不同倾 角的光线交光轴于不同的位 置上，相对于理想像点位置
光栅
光栅主要参数：
1.光栅常数
(栅格周期)d；
2.缝宽
光栅主要作用：
分光，产生衍
射光斑。
2.光头光学设计实例 介绍TOP 66A设计方案
光是电磁波，光线是波面的法线。如 光学系统是理想的，经系统形成一个新 的球面波，但实际上，由于光学系统存 在成像缺陷，不可避免地使波面变了形， 这个变了形实际波面与相对于理想波面 的偏离，就是波像差。
7.像质评价
光学系统设计时必须校正像差，如何评判设计质量的好坏
就要用适当的方法来进行。
目前最常用的方法有：
同方向上有不同的曲率，其曲率随
方向而渐变，分别形成子午像点和
弧矢像点。
两个像点之间的距离就用来描
述像散的大小。
xts’=xt’-xs’
场曲：
即使子午像点和弧矢像点重合，
但像面仍然弯曲，这就是场曲。
4.畸变
理想光学系统，一对共轭面上的放大率 是常数。
实际光学系统，当视场变大时，像的放
大率随视场而变，使像相对于物体失去了相
1）物空间的中的一点对应与像空间中唯一的一点，
这一对点称为共轭点；
2）物空间中的一条直线对应与像空间中唯一的一
条直线，这一对直线称为共轭线；
《工程光学》课件
光学信号处理原理
光学信号处理概述 简要介绍了光学信号处理的基本 概念和原理，包括光波的干涉、 衍射、傅里叶变换等方面的知识 。
全息术与光学信息处理 简要介绍了全息术的基本原理和 应用，以及光学信息处理技术的 发展和应用前景。
干涉测量技术 详细介绍了干涉测量技术的基本 原理和应用，包括干涉仪的结构 和工作原理、干涉图样的分析和 解释等方面的知识。
的发展提供了新的机遇和挑战。
工程光学在各领域的应用
能源领域
太阳能利用、激光焊接、激光切割等 。
通信领域
光纤通信、光网络技术等。
环境监测领域
光谱分析、大气污染监测等。
生物医学领域
医学成像、光谱诊断、激光医疗等。
CHAPTER 02
工程光学基础知识
光的本质与传播
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。 其电磁场振动方向与传播方向垂直， 表现出横波的特征。
显微镜
介绍了显微镜的基本原理和结构，包括透射光显微镜和反 射光显微镜等类型，以及显微镜的性能参数和选择方法。
激光器
简要介绍了激光器的基本原理和结构，包括气体激光器、 固体激光器、光纤激光器等类型，以及激光器的性能参数 和应用领域。
光学系统设计原理
光学系统设计基础
介绍了光学系统设计的基本概念和原则， 包括光学材料、光学镀膜、光学元件加工
光学信息处理实验
研究光学信息处理技术，如傅里叶 变换、光学图像处理等，掌握光学 信息处理系统的基本构成和操作方 法。
光学系统设计与制造实践
光学系统设计实践
通过实践了解光学系统设计的基本原理和方法，掌握光学设 计软件的使用技巧，熟悉光学元件的选择和加工工艺。
光学制造工艺实践
光学基础知识PPT课件
球面像差在镜头光圈全开或者接近全开的时候 表现最为明显，口径愈大的镜头，这种倾向愈明显。
在镜头使用上，通过缩小光圈可适当消除球面像 差。
44
球差的产生是因为理想的折射镜面不是球面，但 是为了加工方便一般都是用球面来近似，所以引起 球差。解决的方法是采用非球面技术。
45
目前主要有三种制造非球面镜片的方法： 1、研磨非球面镜片：在整块玻璃上直接研磨，这 种制造工艺成本相对较高； 2、模压非球面镜片：采用金属铸模技术将融化的 光学玻璃/光学树脂直接压制而成，这种制造工艺 成本相对较低；
41
当平行的光线由镜面的边缘(远轴光线)通过时， 它的焦点位置比较靠近镜片；而由镜片的中央通过 的光线(近轴光线)，它的焦点位置则比较远离镜片 (这种沿着光轴的焦点错间开的量，称为纵向球面像 差)。
42
由于球面像差的缘故，就会在通过镜头中心部分 的近轴光线所结成的影像周围，形成由通过镜头边 缘部分的光线所产生的光斑(光晕)，使人感到所形 成的影象变成模糊不清，画面整体好象蒙上一层纱 似的，变成缺少鲜锐度的灰蒙蒙的影像。这个光斑 的半径称为横向球面像差。
46
3、复合非球面镜片：在研磨成球面的玻璃镜片表 面上覆盖一层特殊的光学树脂，然后将光学树脂部 分研磨成非球面。这种制造工艺的成本界于上述两 种工艺之间。
47
像散
48
由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出 的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不 能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则 此光学系统的成像误差称为像散。
4
对于理想的反射面而言，镜面表面亮度取决 于视点，观察角度不同，表面亮度也不同；
一个理想的漫射面将入射光线在各个方向做 均匀反射，其亮度与视点无关，是个常量。
工程光学PPT课件
• tAE=∑li/vi=∑nili/c=(ABCDE)/c
• (ABCDE)称为光线ABCDE的光程，简写为
（AE）
• (AE)=(ABCDE)=∑nili=tAE*c
• ∵ n = c/v (此为折射率定义) • ∴ n21 = n2/n1
∴ n1sinθ1 = n2sinθ2
相对而言，n大的介质叫光密介质；n小的介质叫光疏介质。当光线由
光疏入光密时，θ1 > θ2。
Refractive law
光路的可逆和全反射
• 由上述的斯涅尔定律不难看出，光线的传播是可逆的，即 光逆向传播时，将沿正向传播的反方向传播。见上图。
2、光源
• 从物理学的角度看，辐射光能的物体称为发光体，或称为 光源。
• 点光源是当光源的大小 与辐射光能的作用距离相比可以 忽略时，此光源可认为是点光源。
• 例如：人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一个 发光点。
• 在几何光学中，发光体与发光点概念与物理学中完全不同。 • 无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传播时统称
n P
n`
I` Q
Q` 出射光线 N
normal
Incident beam
出射光线
-Q`
IR
A
n P
n`
Q
N
费马原理
• 1、光程 • 真空中，光线从A传播到B点传播距离l所需的
时间为tAB=l/c；当光线在折射率为n的介质中从 A`传播到B`传播距离l`所需时间为
t`AB=l`/v=nl`/c 。
光全反射、光纤
大学物理波动光学部分专选课件
一、光源
10.1 光的相干性 光程
1、光（可见光）指真空中波长为4000~7600 Å 的电磁波。
7A 6 ~ 6 0 A 3 ~ 6 0 0 A 0 ~ 5 0 0 A 7 ~ 5 0 0 A 0 ~ 4 0 0 A 5 ~ 4 0 0 A 3 ~ 4 0 0 A 0 0
红
橙
黄
绿
青 兰紫
光是横波 真空中 c 1 3108m/s
用白光光源产生彩色干涉条纹
k3 k2
5. 零级明条纹的位置
实
s1
验
d o
装
s2
置
k 1 k 2k 3
r1
r2
p x
D
____
____
由图可知，由于____S0S1 ____S0S2 ，因此零级明条纹位于观察屏中心
x=0处。如果 S0S1 S0S2 ，则零级明条纹将发生上下移动。例如，
当光源S0沿竖直方向上移时，零级明条纹将下移。
2、分振幅法： 利用光的反射和折射将一束光分为两部分。
s1
P
s
s2
分波阵面法
分振幅法
四、光程 光程差:
1.光程 当光在 某一媒质中（n）传播、通过路径 r 时，
振动相位的改变量为
2 r n
n
unc
n
n
2 n r2nr
1
u
r
2
定义：若光在折射率为n 的介质中传播的几何距离为r ， 则光程为 nr 。
激光光源的特点：其发光机理是受激辐射 。每个原子发出的光 波列的频率、初相位、振动方向都相同。相干性好
二 、光的单色性和相干性 1、光的单色性
1）单色光：具有单一 频率（波长）的光。 2）复色光：含有很多不同频率的光。 3）准单色光：由一些波长相差很小的单色光组合而成的光。
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3
第二节 光在平板光波导中的传播
图15－5 光在平板型光波导中的传播
一、平板光波导的射线理论 二、平板光波导中的场分布 三、耦合膜理论
6
第三节 导波光学的应用
一、光导纤维的应用
1、光纤通信
图15－10 光纤通信系统框图
7
二、光纤传感技术
1、种类 2、实例
图15－11 光纤温度传感器
8
三、导波光学的典型器件和应用
1、双通道电光调制器及光开关
图15－12 双通道电光调制器9源自2、马赫－泽德型干涉调制器
图15－13 马赫－泽德型干涉调制器
10
第十六章 导波光学基础
导波光学：
以光的电磁理论为基础，研究光在光学波导中 的传播、散射、偏振、衍射等效应，是各种光 波导器件和光纤技术的理论基础。
研究领域：
纤维光学与集成光学
1
第一节 光在光导纤维中的传播
一、光纤的结构和类型
1、光纤的结构（如图15－1所示）
2
2、光纤的种类：
阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤：按光纤 横截面折射率分布划分。