第3 波动学基础1.pptVIP

* 图3.15 光波在长度为L的谐振腔内不同时刻的波形。最顶端的图描述了向右传播的波；中间的图描述了向左传播的波；最下面的图则是腔内的合成波形 * 图3.16 谐振腔内的驻波图形 * 第三章 波动学基础 * 3.1 电磁波 3.2 色散 脉冲畸变和信息速率 3.3 偏振 3.4 谐振腔 3.5 平面边界上的反射 3.6 全反射临界角 电磁波 电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。 电磁波可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。 * 电磁波 λ电磁波的电场(或磁场)随时间变化，具有周期性。在一个振荡周期中传播的距离叫波长。振荡周期的倒数，即每秒钟振动(变化)的次数称频率。 * * 图3.1 沿z方向传播的波的电场。图中给出了三个不同时刻的电场用以解释波在传播方向的运动情况 电场 * 电磁波电场 E=E0sin(ωt-kz) 峰值幅度 角频率 相移 * 电磁波电场 如果在传输中有衰减，必须修改上式，见公式3.8 存在衰减系数 * 图3.2 行波的衰减 电场 色散 脉冲畸变和信息速率 实际的光源在一个特定的波长范围内发光，这个范围称为光源的线宽或谱宽 线宽越窄相干 性越好 理想 的是单色的 * 典型光源的谱宽 发光二极管 20-100 nm 半导体激光器 1-5 Nd:YAG 激光器 0.1 氦氖激光器 0.002 虽然LD LED的线宽大 但具有尺寸小 和功率要求低的优点 * * 图3.3 发光二极管的光谱 光在媒质中的传播速度或折射率随波长改变，称为色散。 如果是速度的变化是由材料的某种性质引起的称为材料色散 对于光纤和其它波导，色散也可能由其自身的结构引起的称为波导色散 * * 图3.4 在色散材料中传播时产生的脉冲展宽 波长不同的脉冲以不同的速度传播 输入脉冲 输出脉冲 时间 时间 光功率 * 图3.5 色散导致模拟信号的幅度衰减 输入信号 输出信号 时间 时间 光功率 * 光孤子 脉冲展宽会降低光纤通信系统的带宽和数据容量 减小脉冲展宽的技术包括 工作在零色散波长上 选有具有相干性的光源 选用光孤子传输技术 * 光孤子(Soliton, Solitons in optical fibres)是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散，使得脉宽变宽。 * 但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即介质的折射率随光强度而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子。 * 光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲的压缩可以与色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（初始脉冲必须有一个特定的峰值能量和脉冲形状）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。 * 光孤子通信完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出1~2个数量级，中继距离可达几百km。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。 * * 图3.13 电场矢量沿x轴方向偏振，沿y轴方向传播的波 偏振 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光波是电磁波，因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性 * 线偏振光 光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿着一个确定的方向振动，其大小、方向不变，称为线偏振光。 * * 在垂直于光传播方向的平面上，光矢量在各个可能方向上的取向是均匀的，光矢量的大小、方向具有无规律性变化，这种光称为自然光，也称为非偏振光。 自然光可以沿着与光传播方向垂直的任意方向上分解成两束振动方向相互垂直、振幅相等、无固定相位差的非相干光。 * * 非偏振光 可能同时有两列波沿z轴传播，其中一个是x方向偏振的，一个是y轴方向偏振的。因为偏振方向相互正交，因此这两束波是相互独立的。经常用模式来指出一个电磁波在确定方向传播时不同的特性。这两束互相独立的波也可以说成是无边界介质中的平面波模式。也有可能