光子学基础
光子学基础—第二章
则有 I d
I 0
exp
5102 10
1.65
25
指数增益系数--数字的例
(续上题) 假设激光棒直径为 10mm 激光束从中央轴线来回反射 十次再溢出端面。试光束的发散角? 和激光棒的放大增益? 解 光束角为
tan 5mm 180 0.286 10 100mm
态1的粒子受激 (st) 跃迁到激发态 2 的几率为：
W12 st B12
• 如果仅仅存在自发辐射跃迁和受激吸收跃迁这两个动 作，是导不出普朗克公式的。爱因斯坦认为应当存在
第三个动作--受激辐射跃迁。
10
受激辐射的爱因斯坦理论
• 受激辐射跃迁
在外场〖辐射能量密度也是ρ()〗的作用下，处
• 自发辐射跃迁
• 自发辐射的跃迁几率A21 表示从态 2 向下自发跃迁到态 1 的几率，即态 2
的单位体积 粒子数 n2 的减少率 -d n2 /d t 等于
n2A21
故有：
A21
1 n2
dn2 dt
sp
9
受激辐射的爱因斯坦理论
• 受激吸收跃迁
在外场（辐射能量密度为ρ()）的作用下，从基
B12＝B21
A21 / B21 = 8πn3hν3 / c3
二式成立时，爱因斯坦三个动作的理论就成立，这就 证明受激辐射的存在。
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受激辐射的爱因斯坦理论-----小结
在二个能级之间，只有存在自发辐射，受 激吸收和受激辐射三个动作并达到平衡时，爱 因斯坦的辐射公式才与普朗克的黑体辐射定律 一致。
2
光子寿命tc -谐振腔的寿命即谐振腔中储存的腔模能量E 下降到1/e的时间。
第7章 光子学基础
第十七章 光子学基础传统光学主要是研究宏观光学特性，如光的折射、反射、成像及光传播时的干涉、衍射和偏振等波动性质，而未去探究其微观的物理原因。
然而随着光学的发展，人们逐渐地注意研究光与物质(包括光子与光子)相互作用的微观特性，以及与这种微观特性相联系的光的产生、传播和探测等过程。
同时，也逐渐注意研究光子承载信息的能力，以及它在承载信息时的处理和变换等基础问题。
现在人们用光子光学（Photon Optics ）或光子学(Photonics)来概括这一领域的研究。
光子学在现代科学技术中的作用越来越显重要。
本章结合光电效应，引入光子学中的基本概念和关系式，讨论电磁场的量子化和光子的性质，并介绍两个应用。
第一节 光的量子性一、光电效应与爱因斯坦光子学说(一)光电效应的规律1887年赫兹在题为“关于紫外光对放电的影响”的论文中首先描述了物体在光的作用下释放出电子的现象，这就是通常所说的光电效应。
一般采用图16-1a 的装置观察金属的光电效应。
电极K 和A 封闭在高真空容器内，光经石英小窗照射到金属阴极K 上。
当电极K 受光照射时，光电子被释放出并受电场加速后形成光电流。
实验发现光电流的大小与照射光的强度成正比，照射光中紫外线越强，光电效应越强。
用一定强度和给定频率的光照射时，光电流i 和两极间电位差u 的实验曲线如图16-1b 所示，称为光电流的伏安特性曲线。
当u 足够大时，光电流达到饱和值m I ；当u ≤0u 时光电流停止（0u 称为临界截止电压）。
总结所有的实验结果，得到如下规律：(1) 对某一光电阴极材料而言，在入射光频率不变条件下，饱和电流的大小与入射光的强度成正比。
(2) 光电子的能量与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关，频率越高，光电子的能量就越大。
(3) 入射光有一截止频率0 （称为光电效应的红限）。
在这个极限频率以下，不论入射光多强，照射时间多长，都没有光电子发射。
不同的金属具有不同的红限。
光子学基础—第四章
其次， 将C，D，及 Ri 代回 BM 并令 BM 0 ， 得 ARi B S i CRi D S i i i
再对上述方程组作线性回归从而确定 A 和 B。
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射线光学-----应用例题
问题 半球面透镜在光学中是很有用的。其折射率为 n，半径为 r， 求半球面透镜的焦矩? (归一化形式写式子） 解：采用在介质中传输距离缩短和将 折射率移到射线状态的列矢量 中去的方法，我们可写出：
从图中可以看中几何关系如下： r1 = r2 法线角 φ= r1/R
out
法线
同理 r '=α
2
Jo 联立得 r1'=α J i Jin 即 Jin = r1'-φ in =φ+
out
= - φ- J out
i
r1 r2
∴ Jin = J out (镜面反射) 2 ∴ r2'= J out -φ= r1'- 2φ= r1'- r1 R 1 0 所以射线矩阵为： 2 1 R
第四章
光的传播
提要
射线光学 谐振腔的稳定性 均匀介质高斯光束 高斯光束的ABCD定律 谐振腔的自洽性
2
光的传播
本章讨论一般热辐射的光线与激光束---高斯光束在自由 空间传播上的差异。
在光学中，几何光学是讨论热辐射光源所遵循的反射、 透射、折射等规律。为了比较高斯光束与几何光学在空 间传播的差异，我们简单的回顾一下几何光学，并换一 个方式即用射线矩阵光学的形式。然后，再来分析和比 较高斯光束在传播时，与射线矩阵光学的联系与差异。 最后再讨论激光的模式。 下一章，将进一步讨论高斯光束在介质波导或光纤中传 输的主要规律。
光子学基础知识
光子学基础知识光子学是研究光的产生、传播和控制的学科，是光学的一个重要分支。
光子学及其应用在现代科技领域中发挥着重要作用，如通信技术、材料科学、生物医学等。
本文将介绍光子学的基础知识，包括光的性质、光的传播、光的相互作用等内容。
一、光的性质光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。
根据电磁谱，光波长范围从红外线到紫外线。
光的波长决定了光的颜色，短波长的光呈蓝色，长波长的光呈红色。
光的粒子性可通过光子来描述。
光子是光的能量量子，具有能量和动量。
光子的能量与光波长成反比，即能量越大，波长越短。
光子的动量与光的频率成正比，即频率越高，动量越大。
二、光的传播光的传播有两种方式：直线传播和衍射传播。
直线传播发生在光在均匀介质中传播时。
在同一介质中，光的传播是直线传播。
当光从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。
根据斯涅尔定律，入射角、传播介质的折射率和出射角之间存在一定的关系。
衍射传播发生在光通过边缘或孔径时。
当光通过一个小孔或扩展到一个尺寸与其波长相当的孔径时，光波会发生衍射现象。
衍射使得光以扩展的方式传播，形成衍射图样。
三、光的相互作用光与物质之间存在多种相互作用，包括吸收、反射、折射和散射。
吸收是指当光与物质相互作用时，光的能量被物质吸收并转化为其他形式的能量，如热能。
物质的颜色是由其吸收和反射特定波长的光所决定的。
反射是指光在遇到物体表面时，一部分光被物体表面反射回来。
反射现象使我们能够看到周围的物体。
根据光的入射角和物体表面的性质，反射可以分为漫反射和镜面反射两种。
折射是指光从一种介质传播到另一种介质时，发生方向的改变。
折射现象可通过斯涅尔定律来描述，根据入射角和两种介质的折射率之间的关系。
散射是指光在与物质微观结构相互作用时，改变传播方向并散射到不同的方向。
散射现象是太阳光在大气中形成蓝天和彩虹的原因。
四、光子学的应用光子学在众多领域中有着广泛的应用。
在通信技术中，光纤通信是一种高速传输信号的方法。
光子学基础—第二章
测不准原理(Uncertainty Principle)
己经看到微观粒子具有波粒二象性，它不象经典粒子 是决定论的，一但把粒子的位置(力学量)确定准确，其 波长或频率就会广延到很大的范围(广延量)。所以微观 粒子不是决定论的只能说出粒子到达某处的几率。
海森堡（1901－1976年）
因“提出量子力学中的测不准 原理” 获得1932年诺贝尔奖。
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当然，你也可以给出介于两者之间的情况，波是可以相当 好的定域的，波长也可以相当好定义的，但是这里存在一 个不可避免的权衡选择：波的位置越精确，波长就越不精 确，反过来也一样。 粒子的动量同 波长的联系由德布罗意公式给出。这样对我 们通常的观测有：粒子的位置确定的越精确,它的动量就越 不精确。
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测不准(不确定性)原理-----数字的例 (续)
接上题，试求受激态的能级的不确定度(线宽)和能级 高度? 解
h 6.6 1034 1 7 能级的不确定度E 10 eV 8 4t 4 10 3
E E h E E 0.3333 10 7 能级高度E 0.83 eV 8 4 10
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本章总结
本章的学习重点：光的波粒二象性；粒子的波粒 二象性；测不准原理 学习难点：测不准原理的理解 教学要求：掌握光与粒子的波粒二象性，理解测 不准原理
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The End
I 10 m g A c S
式中 m = 23 Mp, g = 10 (m / s2)为重力加速度, S为 Na原 子的截面积。将各参数代入上式得：
I 146 103 (瓦 / 米2 )
这就是说当光强达到0.146(瓦 / 毫米2)时, Na 原子上受 到的光压力是重力的十倍。
生物光子学光子学与光谱学基础课件PPT
掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG）
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2.5 分子能级结构与光谱
另外一些描述吸收衰减的参量：
• 振动能级光谱
– 拉曼光谱的缺点： • 拉曼散射的效率很低：一般来说，在105个光子中，只有一个 光子可以产生散射。（因此使用激光作为光源） • 拉曼光谱比IR光谱的灵敏度低，因而在固态、液态或者不含 水的有机分子研究中，经常使用IR光谱来获得关于结构的详 细信息； • 如果被测样品中具有自体荧光，则荧光信号强度要比Raman 散射信号大许多数量级，因而背景荧光会淹没Raman谱带。
• 振动能级光谱
– 拉曼散射：入射和散射光子的能量差为分子振动 能级差； • Stokes拉曼散射：散射光子的频率低于入射 光子（v>v） ，分子从低振动能级跃迁到高振 动能级； • 反Stokes拉曼散射：散射光子的频率高于入 射光子（v<v），分子从较高振动能级跃迁到 较低振动能级；
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2.5 分子能级结构与光谱
吸收率：
透射率： 光学密度：
T和OD考虑了光通过介质时由于吸收和散射而造成的总的强度 损失；如果吸收占主导地位，则OD=A。
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2.5 分子能级结构与光谱
• 电子能级吸收光谱
– 典型的吸收光谱表示为T相对于v或的曲线，或A相对
于v的曲线; – v定义为吸收谱带最大吸收值一半处的宽带。
吸收光谱的两种表示
• 荧光激发光谱（吸收光谱）
– 激发光谱给出关于激发分子到一个产生最大荧光的能 态的信息；
光子学基础—第一章
光线的弯曲
1911年爱因斯坦预言光子存在运动质量，在日全 食时，掠过太阳旁的星光会被吸引而扭弯，弯曲 大约千分之二度。1919年英国日食考察队分别到 巴西和几内亚观测．证实了爱因斯坦的理论。
恒星 形成Einstain环
最近英国天文学家观察
太阳
到 “爱因斯坦环”，这种 现象被看作 “引力透镜”。
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因此，前者可承载信息的容量起码比后者高出3～4个
量级，即千倍以上 。
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光子具有的优异特性
光子具有极快的响应能力 ：
电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9s) ，电子通信 中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s )量级 。 光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级 ，小 于10个飞秒(fs,10-15s)量级， 光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百 个 Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit / s)
v c
vc
23
在人们对光学现象逐渐认识过程中围绕
微粒说 波动说
光的本质是什么？
牛顿
能量子，光量子假设
普 朗 克 爱 因 斯 坦
惠更斯
几何光学
波动光学 干涉，衍射
直线传播 最简单光理论
光的波粒二向性 量子光学
麦克斯韦波动方程
进行漫长曲折讨论……
光是波
牛顿之后，光是一种波动在18、19以至20世纪 己深入人心，不会怀疑。
这是实验事实，反复测量建立起来的，但是还没人能 从经典理论推导出。 普朗克（Plank德国）1901年假设： 发射辐射的物质是 有一些谐振子组成的，这些谐振子具有的能量均以h为 单位，因此，相邻振子彼此间能量差为等间隔h 。引入 的能量子h就是光子的概念。
第二章光学和光子学基本知识
第二章光学和光子学基本知识光学和光子学基本知识王成(博士)医疗器械工程研究所讲述提纲光学概述一、光学的科学体系二、对光学现象的发现与认识三、对光本性的认识，波动光学的发展史四、光子学概述光学基本原理和概念一、光学的科学体系光学：是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作用的学科。
1.几何光学：基于“光线”的概念讨论光的传播规律。
2.波动光学：研究光的波动性(干涉、衍射、偏振)的学科。
3.量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。
4.现代光学：20世纪后半期发展起来的很庞大的体系。
1.几何光学:从理论上说，几何光学三个基本定律(直线传播，折射、反射定律),是费马原理的必然结果,也是光波衍射规律的短波近似。
它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。
几何光学主要是从直线传播，折射、反射定律等实验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题。
2.波动光学：研究光的波动性(干涉、衍射、偏振)以及用波动理论对光与物质相互作用进行描述的学科。
基本问题：在各种条件下的传播问题。
基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。
波前：原为等相面，现泛指波场中的任一曲面，更多的是指一个平面。
主线：如何描述、识别、分解、改造、记录和再现波前，构成了波动光学的主线3.量子光学把光视为一个个分立的粒子,它主要用于分析辐射、光发射以及某些在物质的微观结构起重要作用时光与物质的相互作用现象。
在这领域内有时可用经典理论，有时需用量子理论。
对于这类原不属于传统光学的内容，有人冠之以“分子光学”或“量子光学”等名称，也有人把它们仍归于物理光学之内。
4.近代光学：1948年全息术的提出，1955年光学传递函数的建立，1960年激光的诞生为其发展中的三件大事。
薄膜光学的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技术的发展；傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光学变换过程，形成了光学信息处理的内容.集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学领域；4.近代光学：非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介质已不满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频,混频,自聚焦等;对光导纤维的研究形成了纤维光学或导波光学;导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅速发展和应用,成为人类在20世纪最重要的科技成就;非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术的结合可能会导致新一代计算机—光计算机的诞生.据预测它将部分实现人脑的功能(如学习和联想)二、对光学现象的发现与认识1.对光的早期认识2.几何光学规律的发现3.波动光学现象的发现17世纪中叶以前的认识如前所述：主要有触觉论、发射论两种。
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摘要：本文介绍了光纤传感器与传统传感器的优点及传光、传感型光纤传感器的原理。
之后讲述了光纤传感器的分类及其特点，最后重点讲述了光纤传感器的应用，主要有在结构工程检测方面、在桥梁检测方面、在岩土力学与工程方面、在食品工业中、军事技术。
关键字：光纤传感器原理军工应用工程检测Abstract: This paper mainly introduces the advantages of the optical fiber sensor and the traditional sensor as well as the principles of the optical fiber sensor, including the type of light and the type of sensor. Besides, it describes the classification and features of the optical fiber sensor. At last, the paper focuses on the application of the optical fiber sensor, mainly in the aspects of structural engineering detection, bridge detection, rock-soil mechanics and engineering, food industry and military technology.Keywords: the optical fiber sensor; principle; military application; engineering detection1.引言光纤传感技术的发展始于20世纪70年代，是光电技术发展最活跃的分支之一[1]。
近年来传感器产品收益日益增大，传感技术已成为衡量一个国家科学技术的重要标志。
光纤传感器与传统的各类传感器相比，可用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
因此光纤传感技术发展迅速，种类多样，被测物里量达70多种。
基于相位调制的高精度、大动态光纤传感器也越来越受到重视，光纤光栅、多路复用技术、阵列复用技术使光纤传感器的应用范围和规模大幅度提高，分布式光纤传感器和智能结构更是当今的研究热点[2]。
2.原理光纤传感器主要由光源、光纤、敏感元件、光电探测器和信号处理系统等部分组成，如图 1 所示[3]。
由光源发出的光经光纤引导至敏感元件，光的某一性质在这里受到被测量调制，已调光经接收光纤耦合到光电探测器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到被测量。
光纤传感器分为传感型光纤传感器和传光型光纤传感器。
（1）传感型光纤传感器，也称功能性光纤传感器，它利用外界因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行计算和传输[4]。
传播过程中，外界因素使光的参数发生改变的过程称为光波的调制，把调制后的光波经光纤传输到电探测器解调后转换成电信号输出[5]。
（2）传光型光纤传感器也叫非功能性光纤传感器或强度调制型光纤传感器，光纤起传输光波作用。
待测物理量引起光纤中传输光的光强变化，通过检查光强的变化来实现对待测物理量的测量。
如图：3.分类光纤传感器的分类种类很多，有多种分类方式。
根据光受被测对象的调制形式分为强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。
强度调制型光纤传感器的优点：结构简单、容易实现，成本低。
缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。
偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。
可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。
频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。
相位调制传感器其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。
灵敏度很高。
但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。
当然还有其他的分类标准，这里不再详细介绍。
4.光纤传感器的特点光纤传感器用光作为信息的载体，用光纤作为传递信息的媒质，具有光纤和光学测量的一些特点[6]。
1)抗电磁干扰。
光纤传感器应用光纤的光学特性，因此可以抵抗电磁干扰，特别适用于大电流、强磁场、强辐射等环境，能够解决很多传统传感器无法解决的问题;2)电绝缘。
光纤传感器中的光纤是电介质，敏感元件也可用电介质制作，因此具有良好的电绝缘性，特别适合高压供电系统的测量;3)高灵敏度。
利用光作为信息载体，因此具有光学测量高灵敏度的特点，可以实现某些精密测量;4)低损耗。
由于光纤的传输损耗很小，因此利用光纤传感器技术可实现对被测量的远距离监控。
5.光纤传感技术的应用：我国光纤传感技术的发展现状和发展前景均比较乐观。
然而，值得指出的是我国目前光纤传感器的产业水平和大规模应用方面还远远不能满足民用和军用的需求。
因此在光纤传感技术的应用领域还有广泛的空间需要探寻。
光纤传感技术的应用范围很广，比如：在结构工程检测方面：将光纤材料直接埋入混凝土结构内或粘贴在表面，可以检测热应力和固化、挠度、弯曲以及应力和应变等[7]。
在桥梁检测方面：利用光纤传感器测量振动，主要可得到桥梁的振动响应参数如频率、振幅等。
将信号光纤粘贴于桥梁内部，它随着桥梁的振动而产生振动响应，输出光的相位作周期性的变化，则光电探测器接收到的光强也作周期性的变化[8]。
在岩土力学与工程方面：岩土工程检测具有长时效性、环境复杂、具有时空限制、施工环境制约等特点，其检测工作一直是等待解决的难题。
而由于光纤传感器体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀等诸多优良特性，使用它成为岩土力学工程的检测工具成为学者们的研究对象。
大坝的安全性关系到众多人民的人生安全，对大坝的监控指标有变形、坝基场压力，渗流量、应力[9]。
现阶段用于大坝检测的光纤传感器主要有光纤Bragg光栅，FBG 具有灵敏度高可靠性好等优点，应用广泛。
原理是基于光纤中传输时产生的布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射，通过光分析中后向散色光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种缺陷引起的结构损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检查外界信号场分布于传感光纤上的扰动信息[10] 。
在食品工业中：由于传感器不受电磁场的干扰，且适合组装成多传感系统，因此广泛应用于食品加热过程，防止食品被烤焦[11]。
而这一次主要谈谈光纤传感技术在军事方面的应用：光纤传感技术依托于传感器使得该技术得到最大化的应用。
比如：光纤水声传感器、分布式光纤传感器、光纤光栅传感器以及智能复合材料中的光纤传感器等等。
无论是在航空航天领域还是海防领域，光纤传感技术都“大显身手”。
光纤陀螺仪其灵敏度以及角速度测量精度都得到了很大的提高。
目前，已广泛应用于民航机、无人机、潜望镜和光电桅杆、导弹的精确定位与控制中[12]。
而最具未来色彩的应该就是智能复合材料中的光纤传感器。
原因在于：美国正在为未来的弹道使用的智能复合材料开展研究工作，而如何将光纤传感器植入智能复合材料中正是其中一项重要的研究项目。
研究表明，将智能复合材料和传感器联系在一起的一个有效途径是设计和制作标准化、模块化的光纤传感曾。
目前比较好的两种方法是：用聚酰亚胺薄膜与光纤传感器阵列的集成、采用聚合物光纤材料按集成光学的方法制作传感层。
多光纤传感器信息融合技术又称多光纤传感器数据融合技术（MSDF）。
在现代C3I（指挥、控制、通信与情报）系统中占有重要地位。
而这门技术主要依托于光纤传感系统中的信息节点之间的数据互换。
这里的“信息节点”主要有两种：①陆基中心的信息融合节点②指挥舰上的信息融合节点。
二者的相同点在于都是在陆基中心或者是海军指挥舰上建立信息融合中心，将所接收的信息进行分析处理。
而不同点在于前者一般是分布式或者混合式结构而后者是一个多级式结构。
总而言之，光纤传感技术在我国的发展前景良好、发展潜力巨大，拥有广阔的领域供人探索。
参考文献[1]. 林之华、李朝锋、刘甲春，光纤传感技术及军事应用[J].光器件，2011（7）：4-6.[2]. 孟洲、胡永明、姚琼等，《光纤传感技术》研究生课程改革讨论[J].中北大学学报，2009.2[3]. 赵勇.光纤传感原理与应用技术[M].北京:清华大学出版社，2009.[4].廖延彪黎敏张敏匡武，光纤传感技术与应用，北京，清华大学出版社，2009年；[5].张森刘孟华王臻周琦，光纤传感的研究与应用2010年第3期；[6]. 王鹏宇，光纤传感技术及其应用，中国知网，2012；[7]. 李士伟、陈伟，光纤传感技术在结构工程检测中的应用，中国知网；[8].王玉周,光纤传感技术原理及其在桥梁检测中的应用，中国知网[9].孙彤光纤荧光温度传感器北京科学出版社2007[10].刘铁根江俊峰分立式光纤传感技术与系统电子工业出版社2012[11] 吕海宝黄锐楚兴春分布式光纤传感技术[J]. 光学仪器[12]. 侯俊芳、裴丽、李卓轩、刘超，光纤传感技术的研究进展及应用，中国知网，2012；。