光学各向异性介质的作用
物理光学与应用光学第二版第一章
因此， 折射率可表示为
n r
(1.1-16)
此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质，εr或n都是频率的函数， 具体的函数关系取决于介质的结构。
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性
5.
电磁理论指出，电磁场是一种特殊形式的物质，既然是物 质，就必然有能量。而光电磁场是一种电磁波，它所具有的能 量将以速度v向外传播。为了描述电磁能量的传播，引入能流 密度——玻印亭(Poynting)矢量S，它定义为
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性
应强调的是，任意描述真实存在的物理量的参量都应当 是实数，在这里采用复数形式只是数学上运算方便的需要。 由于对(1.1-24)式取实部即为(1.1-23)式所示的函数，所以，对 复数形式的量进行线性运算，只有取实部后才有物理意义， 才能与利用三角函数形式进行同样运算得到相同的结果。此 外， 由于对复数函数exp［-i(ωt-kz)］与exp［i(ωt-kz)］两种 形式取实部得到相同的函数，因而对于平面简谐光波，采用 exp［-i(ωt-kz)］和exp［i(ωt-kz)］两种形式完全等效。因此， 在不同的文献书籍中，根据作者的习惯不同，可以采取其中 任意一种形式。
S=szE0H0cos2(ωt-kz)
式中，sz是能流密度方向上的单位矢量。因为由(1.1-10)式关系，
平面光波场有
E0 H0 ，所以S可写为
Ssz n0cE02co2(stkz)
(1.1-18)
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性
该式表明，这个平面光波的能量沿z方向以波动形式传播。 由于光的频率很高，例如可见光为1014量级，因而S的大小随时 间的变化很快。而相比较而言，目前光探测器的响应时间都较 慢，例如响应最快的光电二极管仅为10-8~10-9 s，远远跟不上光 能量的瞬时变化，只能给出S的平均值。所以，在实际应用中都 利用能流密度的时间平均值〈S〉表征光电磁场的能量传播，并 称〈S〉为光强，以I表示。假设光探测器的响应时间为T，则
几何光学基本原理
几何光学：以光线为基础，用几何的方法来研究光在
介质中的传播规律及光学系统的成像特性。
•点：光源、焦点、物点、像点 •线：光线、法线、光轴 •面：物面、像面、反射面、折射面
由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子 性的研究方法只是一种对真实情况的近似 处理方法。必要时要辅以波动光学理论。
9
• 光源light sources
光轴与透镜面的交点称为：顶点
光轴
顶点
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• 若有一个面为平面，则光轴通过球面的球心与平面垂直。
光轴
顶点
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光学系统
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光学系统分类
按有无对称轴分： 共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴系统：没有对称轴线
按介质分界面形状分： 球面系统：系统中的光学零件均由球面构成 非球面系统：系统中包含有非球面
• 但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系 统是的传播规律或成像问题时将会造成计算 和处理上的很大困难，在实际解决问题时也 不方便。
好累！太不方 便了！
7
•按照近代物理学的观点，光具有波粒二象
性，那么如果只考虑光的粒子性，把光源发 出的光抽象成一条条光线，然后按此来研究 光学系统成像。
问题变得简单 而且实用！
28
1.4 光路可逆和全反射
• 光路可逆
• 全反射
1、现象
A
B
用射出去的光路在一定条件下可以决定射回的光路
利用光路的可逆性可以由物求像，也可以由像求物。
29
2、证明
直线传播
A
B
：
反射：I1=R1
A
R1=I1
折射：
B I1 R1
n1 Sin I1 = n2 Sin I2
1.1_几何光学的基本定律
1.1_几何光学的基本定律第一节几何光学的基本定律几何光学是以光线的概念为基础，采用几何的方法研究光在介质中的传播规律和光学系统的成像特性按几何光学的观点，光经过介质的传播问题可归结为四个基本定律：光的直线传播定律、光的独立传播定律、光的反射定律和折射定律ref: 几何光学的发展先秦时代《墨经》330-260BC 欧几里德《反射光学》965-1038AD 阿勒·哈增《光学全书》十七世纪开普勒、斯涅尔、笛卡儿、费马折射定律的确立，使几何光学理论得到很快的发展。
1.光波、光线、光束light waves、raysand beams·光波光波是一种电磁波，是一定频率范围内的电磁波，波长比一般的无线电波的短可见光：400nm-760nm紫外光：5-400nm红外光：780nm-40μm近红外：780nm-3μm中红外：3μm－6μm远红外：6μm－40μm·光源light sources光源：任何能辐射光能的的物体点光源：无任何尺寸，在空间只有几何位置的光源实际中是当光源的大小与其辐射光能的作用距离相比可忽略不计，则视为点光源光学介质optical mediums光学介质：光从一个地方传至另一个地方的空间。
空气、水、玻璃?各向同性介质:光学介质的光学性质不随方向而改变各向异性介质：单晶体（双折射现象）均匀介质：光学介质的不同部分具有相同的光学性质均匀各向同性介质·波前wave front波前：某一瞬间波动所到达的位置构成的曲面波面：传播过程中振动相位相同的各点所连结成的曲面在任何的时刻都只能有一个确定的波前；波面的数目则是任意多的?球面波：波面为球面的波，点光源平面波：无穷远光源柱面波：线光源光线：传输光能的有方向的几何线在各向同性介质中，光沿着波面的法线方向传输，所以波面的法线就是光线光束光束：具有一定关系的光线的集合同心光束：同一个发光点发出或相交于同一点平行光束：发光点位于无穷远，平面光波像散光束：既不相交于一点，又不平行，但有一定关系的光线的集合，与非球面的高次曲面光波相对应同心光束平行光束ref: 像散光束·光线既不平行，又不相交，波面为曲面。
光信息专业实验报告：光调制与光通信模拟系统实验 (2)
光信息专业实验报告：光调制与光通信模拟系统实验一、实验目的1. 学习电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运用。
2. 了解光通信系统的结构。
二、光调制基本原理常用的光调制方式主要有电光调制、声光调制和磁光调制，分别是利用电光效应、声光效应和磁光效应来实现对光的调制的。
1. 电光调制器件工作原理光学介质的电光效应是指，当介质受到外电场作用时，其折射率将随外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，介质的光学特性由原来的各向同性变为各向异性。
目前已发现两种电光效应，一种是泡克耳斯（Pockels ）效应，即折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例；另一种是克尔（Kerr ）效应，即折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例。
利用泡克耳斯效应制成的调制器成为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。
利用克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。
泡克耳斯盒有纵向调制器和横向调制器两种。
我们实验中使用的是电光晶体为DKDP （磷酸二氘钾）的纵向调制泡克耳斯盒。
不给泡克尔斯盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过起偏器P 后变为振动方向平行于P 光轴的平面偏振光。
通过泡克耳斯盒时，其偏振方向不变，到达检偏器Q 时，因光的振动方向垂直于Q 光轴而被阻挡，所以Q 没有光输出；给泡克耳斯盒加电压时，由于电光效应，盒中介质将具有单轴晶体的光学特性，光轴与电场方向平行。
此时，通过泡克耳斯盒的平面偏振光的振动方向将被改变，从而产生了与Q 光轴方向平行的分量，即Q 有光输出。
Q 输出光的强弱与盒中介质的性质、几何尺寸、外加电压大小有关。
对于结构已确定的泡耳克斯盒来说，若外加电压是周期性变化的，则Q 的光输出也是周期性变化的，由此实现对光的调制。
图1 各个量的方位关系图图1表示的是几个偏振量之间的方位关系，光的传播方向平行于z 轴，M 和N 分别为起偏器P 和检偏器Q 的光轴方向，彼此垂直；α为M 与y 轴的夹角，β为N 与y 轴的夹角，2/πβα=+；外电场使克尔盒中电光介质产生的光轴方向平行于x 轴；o 光垂直于xz 平面，e 光在xz 平面内。
应用光学各章知识点归纳
第一章 几何光学基本定律与成像概念波面：某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。
光的传播即为光波波阵面的传播，与波面对应的法线束就是光束。
波前：某一瞬间波动所到达的位置。
光线的四个传播定律：1）直线传播定律：在各向同性的均匀透明介质中，光沿直线传播，相关自然现象有：日月食，小孔成像等。
2）独立传播定律：从不同的光源发出的互相独立的光线以不同方向相交于空间介质中的某点时彼此不影响，各光线独立传播。
3）反射定律：入射光线、法线和反射光线在同一平面内，入射光线和反射光线在法线的两侧，反射角等于入射角。
4）折射定律：入射光线、法线和折射光线在同一平面内；入射光线和折射光线在法线的两侧，入射角和折射角正弦之比等于折射光线所在的介质与入射光线所在的介质的折射率之比，即nn I I ''sin sin = 光路可逆：光沿着原来的反射（折射）光线的方向射到媒质表面，必定会逆着原来的入射方向反射（折射）出媒质的性质。
光程：光在介质中传播的几何路程S 和介质折射率n 的乘积。
各向同性介质：光学介质的光学性质不随方向而改变。
各向异性介质：单晶体（双折射现象）马吕斯定律：光束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
费马原理：光总是沿光程为极小，极大，或常量的路径传播。
全反射临界角：12arcsinn n C = 全反射条件：1）光线从光密介质向光疏介质入射。
2）入射角大于临界角。
共轴光学系统：光学系统中各个光学元件表面曲率中心在一条直线上。
物点/像点：物/像光束的交点。
实物/实像点：实际光线的汇聚点。
虚物/虚像点：由光线延长线构成的成像点。
共轭：物经过光学系统后与像的对应关系。
（A ，A’的对称性）完善成像：任何一个物点发出的全部光线，通过光学系统后，仍然聚交于同一点。
每一个物点都对应唯一的像点。
理想成像条件：物点和像点之间所有光线为等光程。
第六章 光的吸收、散射和色散
1- e
-a a d
1- e
-a a d
aa d aa d
a a d 10-2 1 d 1000 cm -5 aa 10
三、吸收光谱
产生连续光谱的光源所发出的光，通过有选择吸收的介质后， 用分光计可以看出某些线段或某些波长的光被吸收，这就形成 了吸收光谱。
反射光：
I|| sin q q 0 0
2
§6.2 光的吸收
光 通 过 介 质 时 ① 光强度减小
散射 吸收
②成彩色. 色散 n(ω0,ω) (ω入射光频率) ③速度变慢或弯曲. n 不同.出现折射和双折 射现象、反射
一、一般吸收和选择吸收
1. 一般吸收：在一定的波长范围内，若某种媒质对 于通过它的各种波长的光波都作等量(指能量)吸收且 吸收量很小，则称这种媒质具有一般吸收性．即 对各 个波长的光, 吸收都相同.
r r (r )
产生衍射（即散射）.
三、瑞利散射
分子散射的理论首先是由瑞利提出来的，瑞利认为由 于分子的热运动破坏了分子间固定的位置关系，使分 子所发出的次波不再相干，因而产生了旁向散射光。 是分子所发的次波，到达观察点没有固定的相位关系， 是不相干叠加。 按电磁学理论：每个次波的振幅是和它的频率的平方 成正比，而每个次波的光强，又和它的振幅的平方成 正比。因而叠加这些次波的光强，可得散射光强和波 长的四次方成反比的瑞利定律。
其特点：光波几乎能透射，即通常的透明体
2.选择吸收：若媒质吸收某种波长的光能比较显著， 并且随波长变化而剧烈变化。称它具有选择吸收。 即对个别波长、波段的光, 有强烈吸收. 任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。 选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因 例如:绿色玻璃是把入射的白色光中的红色光和蓝色 光吸收掉,只剩下绿色光能够透射过去． 带色物体一般可区分为体色和表面色．
用各向异性介质构造的一维光子晶体的特性分析
１ 引 言
光子 晶体是 ８ 代末 提 出 的新 概念 和新 材料 。 ０年 介质 或金 属材料 在空 间呈周 期排 列 ， 某个 频段 的人射
电 磁渡 ， 晶 体 中的光 学 状 态 密 度 （ Ｓ，ｅ ｓｔ ｆ 在 ＤＯ ｄ ｎ ｉ ｏ ｙ
ｏ ｔ ａ ｓａｅ） 能会 迅速 衰减 ， 致无 法传 播 ， ｐｉ ｌ ｔｔｓ可 ｃ 导 即形
（ ｅ ａ ｔ ｎ ｏ ｐ ｏ ｔｃｒ ｎ ｓｏ ｈ ｊ ｎ ｉｅｓ ｙ， ａ ｇ ｈ ｕ ３ ０ ２ ｔ ｈｎ ） Ｄ ｐｒ ｍｅ ｔ ｆ ｔｅｅ ｔ ｉ ｆ ｅｉ ｇＵｎｖ ｒｉ Ｈ ｎ ｚ ｏ １ ０ ７ Ｃ ｉ Ｏ ｏ ｃ Ｚ ａ ｔ ａ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｏｎ ｔ ｅ ｂ ｓ ｆｔ ａ ｓ ｔｉ ｇ ｍａ ｒｘ ｏ ｎ ａ ｉ ］ａ ｉｏ ｒ ｐ ｃ ｃ ｙ ｔ ｌ ａ ｋ ｎ ｆｏ ｅ ｄ ｍｅ ｓｏ ａ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ａ ｅ ｏ ｒ ｎ ｍｉｔ ｔ ｉ ｆｕ ｉｘ ａ ｎ ｓ ｔ ｏ ｉ ｒ ｓ ａ ， ｉｄ ｏ ｎ — ｉ ｎ ｉ ｎ ｌ ｎ ｐ ｏ ｏ ｉ ｒ ｓ ａ ｄ ｆｓｒ ｔ ｉ ｎ ｓ ｔ ｏ ｉ ｍｅ ｉ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ Ｗ ｅ ａ ａｙ ｅ ｔ ｅ ｏ ｔ ａ ｈ ｒ ｃ ｅ ｍｔ ｓ ｈ ｔ ｎ ｃｃ ｙ ｔ ｌ ｍａ ｅｏ ｔ ａ ｉ ｅ ａ ｉｏ ｒ ｐ ｃ ｆｄ ｄ ａ ｉ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ． ｎ ｌ ｓ ｈ ｐ ｉ ｌ ａ ａ ｔ ｒ ｉ ｓ ｃ ｃ ｃ
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第 １卷 ３
第１ 期
２０ 年 １ ０２ 月
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＯｐｏ Ｉｃｒ ｎｃ ｏ ｒ ａ ｔｅｅ ｔｏ ｉｓ－Ｌ ｓ ｒ Ｖｏ．＿ Ｎ０ Ｌ Ｊｎ ２ ０ ｏ ａ ｅ ］１ ３ ． ａ ． ０ ２
第3章 晶体在外场作用下的光学性质 1
+
ε3
2 x3
=1
式中x1、x2 、x3为晶体的介电主轴坐标系，n1、n2、 n3为晶体的三个主折射率值，ε1、ε2、ε3为晶体介电张 量的三个主值。
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3.2 电光效应
电光效应引起晶体折射率的改变可以用折射率 椭球面的变化来表示。这一变化可以视为椭球 面方程中各系数产生的微小的增量。通常把有 外电场存在时的折射率椭球方程改写为 式中
9
3.1 晶体光学简介
光线在中级晶族的晶体中传播时，会发生双折 射现象。然而，存在一个特殊的传播方向；在 这个方向，偏振方向互相垂直的任意两个线偏 振光的折射率和位相速度都相同，这个特殊方 向称为晶体的光轴。可见，沿着光轴方向传播 的光不发生双折射。中级晶族对应的晶体都只 有一个光轴，因此称为单轴晶体。如：冰洲石、 石英、红宝石、冰等。
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3.1 晶体光学简介
4、三大晶族及特性 1）高级晶族 立方晶系属于高级晶系，具有最高的对称性。 立方晶系在光学上表现为各向同性，即 ε1=ε2=ε3=n2。
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3.1 晶体光学简介
2）中级晶族 三方晶系、四方晶系和六方晶系都属于中级晶族，它 们的高次旋转轴就是光轴。中级晶族的介电张量具有 旋转对称性(ε1=ε2 ε3≠ )，在光频条件下，ε1=ε2＝ ， 2 2 ε2＝no 。no称为寻常折射率；ne称为异常折射率。当 ne 光线具有不同的偏振方向时，寻常折射率不变。值得 注意的是，不同偏振方向的电磁波对应的异常折射率 并不等于ne，而是随偏振方向与光轴间夹角的变化而 变化。
27cossinsincoscossinsincoscossinsincoscossinsincossincoscossincossinsincoscossincossin公式31可见kdp晶体沿z轴加电场时由单轴晶体变成了双轴晶体折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45角此转角与外加电场的大小无关其折射率变化与电场成正比这是利用电光效应实现光调制调q锁模等技术的物理基础
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光学各向异性介质的作用
光学各向异性介质是一种由多层光学材料制成的特殊介质，这些光学材料的物理性质是有规律变化的。
由于折射率差异，介质中的光线会根据它们在介质中的穿行方向发生变化，也就是所谓的屈折和折射。
光学各向异性介质可以用来改变光线的方向。
它们可以将入射光线折射到一个特定的角度，从而实现光线转向。
光学各向异性介质也可以将波瓣或模式发生变化，从而实现特定的操作。
例如，使用光学各向异性介质将分散的光线集中到一个狭窄的小区域，这种光的集成可用于图像处理。
此外，光学各向异性介质还可以用于光调制和光滤波等应用，从而改善光学系统的性能。
光学各向异性介质由一系列互补的结构组成，主要包括层叠栅极、衍射栅极、量子点阵列和膜层等。
它们的组成特性决定了其特殊的功能，这些特性的组合可以实现许多复杂的操作。
由于其方便的处理，可靠的性能和良好的可控性，光学各向异性介质在光学和光集成领域都得到了广泛的应用，它的发展将为未来的光学技术作出重要的贡献。