【正文】 曼常數(shù)。為了表示一個(gè)熱輻射光源所發(fā)出光的光色性質(zhì)，常用到色溫度這個(gè)量，單位為K。色溫度并非熱輻射光源本身的溫度。至于非熱輻射光源，色溫度只能給出這個(gè)光源光色的大概情況，一般來(lái)說(shuō)，色溫高代表藍(lán)、綠光成分多些，色溫低則表示橙、紅光的成分多些。1. 基本要求（1）掌握光輻射的電磁理論；（2）掌握光波在大氣、電光晶體、聲光晶體、磁光介質(zhì)、光纖波導(dǎo)、非線性介質(zhì)和水中的傳播特性，以及相應(yīng)的分析方法。由于引起生理視覺(jué)效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)以及探測(cè)器對(duì)光頻段電磁波的響應(yīng)主要是電磁場(chǎng)量中的矢量，因此，光輻射的電磁理論主要是應(yīng)用麥克斯韋方程求解光輻射場(chǎng)量的變化規(guī)律。方程右邊兩項(xiàng)反映物質(zhì)對(duì)光輻射場(chǎng)量的影響，起“源”的作用，分別由極化電荷與傳導(dǎo)電流引起。對(duì)絕緣體（=0），項(xiàng)起主要作用。2. 光輻射場(chǎng)的亥姆霍茲方程對(duì)于簡(jiǎn)諧波場(chǎng)，場(chǎng)量可表示為 ，則()式中場(chǎng)量的時(shí)間因子可以消去，得到 ()引入復(fù)相對(duì)介電系數(shù) ()() 式可改寫(xiě)為 ()這就是光輻射滿足的亥姆霍茲方程。4. 電磁場(chǎng)的邊界條件在光電子技術(shù)的許多實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常涉及在兩種或多種物理性質(zhì)不同的介質(zhì)交界面（在該處ε、μ發(fā)生突變）處光輻射場(chǎng)量之間的關(guān)系。如圖1所示，光輻射場(chǎng)的邊界條件可以直接由麥克斯韋方程推得： ()式中ss為界面面電荷密度。 光波在大氣中的傳播大氣激光通信、探測(cè)等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。1. 大氣衰減激光輻射在大氣中傳播時(shí)，部分光輻射能量被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚ㄈ鐭崮艿龋┎糠帜芰勘簧⑸涠x原來(lái)的傳播方向（即輻射能量空間重新分配）。II162。不考慮非線性效應(yīng)，光強(qiáng)衰減量dI正比與I及dl，即dI/I=(I162。積分后得大氣透過(guò)率 ()假定可以簡(jiǎn)化為 ()b為大氣衰減系數(shù)（1/km）。因?yàn)樗p系數(shù)b描述了吸收和散射兩種獨(dú)立物理過(guò)程對(duì)傳播光輻射強(qiáng)度的影響，所以b可表示為 ()km和sm分別為分子的吸收和散射系數(shù)；ka和sa分別大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。應(yīng)用中，衰減系數(shù)常用單位為（1/km）或（dB/km）。b(1/km) ()⑴ 大氣分子的吸收大氣分子在光波電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化，并以入射光的頻率作受迫振動(dòng)。分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)形態(tài)決定。相應(yīng)的共振吸收頻率分別與光波的紫外和可見(jiàn)光、近紅外和中紅外以及遠(yuǎn)紅外區(qū)相對(duì)應(yīng)。大氣中NO2分子雖然含量最多（約90%），但它們?cè)诳梢?jiàn)光和紅外區(qū)幾乎不表現(xiàn)吸收，對(duì)遠(yuǎn)紅外和微波段才呈現(xiàn)出很大的吸收。大氣中除包含上述分子外，還包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，這些分子在可見(jiàn)光和近紅外有可觀的吸收譜線，但因它們?cè)诖髿庵械暮可跷?，一般也不考慮其吸收作用。H2O和CO2分子，特別是H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)及純振動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此是可見(jiàn)光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子，是晴天大氣光學(xué)衰減的主要因素，它們的一些主要吸收譜線的中心波長(zhǎng)如表21所示。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成八個(gè)區(qū)段，將透過(guò)率較高的波段稱為“大氣窗口”。目前常用的激光波長(zhǎng)都處于這些窗口之內(nèi)。 在可見(jiàn)光和近紅外波段，輻射波長(zhǎng)總是遠(yuǎn)大于分子的線度，這一條件下的散射為瑞利散射。瑞利散射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為 ()sm為瑞利散射系數(shù)為瑞利散射系數(shù)（cml）；N為單位體積中的分子數(shù)（cm1）；A為分子的散射截面（cm2）；l為光波長(zhǎng)（cm）?？梢?jiàn)光比紅外光散射強(qiáng)烈，藍(lán)光又比紅光散射強(qiáng)烈。⑶大氣氣溶膠的衰減 mm到2000 mm之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，它們大致是塵埃、煙粒、微水滴、鹽粒以及有機(jī)微生物等。當(dāng)光的波長(zhǎng)相當(dāng)于或小于散射粒子尺寸時(shí)，即產(chǎn)生米氏散射。氣溶膠微粒的尺寸分布極其復(fù)雜，受天氣變化的影響也十分大，不同天氣類型的氣溶膠粒子的密度及線度的最大值列于表2中。bal可寫(xiě)成 ()兩邊取對(duì)數(shù)得，可見(jiàn)(－q)是lnbal ~lnl直線的斜率，q值可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。1，故有bal=(km)。② 雨和雪的衰減霧與雨的差別不僅在于降水量不同，而主要是霧粒子和雨滴尺寸有很大差別。加之雨滴的前向散射效應(yīng)強(qiáng)，這會(huì)顯著地減小對(duì)直射光束的衰減。由于雪的物理描述難度較大，又缺乏雪的折射率資料，目前還很難做出定量計(jì)算。不同波長(zhǎng)的激光在雪中的衰減差別不大，但就同樣的含水量而言，雪的衰減比雨的大，比霧的小。s）。當(dāng)Re 小于臨界值Recr（由實(shí)驗(yàn)測(cè)定）時(shí)，流體處于穩(wěn)定的層流運(yùn)動(dòng)，而大于Recr時(shí)為湍流運(yùn)動(dòng)。l0圖4大氣湍流氣團(tuán)的線尺度l有一個(gè)上限L0和下限l0，即L0l l0，L0和l0分別稱為湍流氣團(tuán)的外尺度和內(nèi)尺度（圖4）。激光的大氣湍流效應(yīng)是指激光輻射在折射率起伏場(chǎng)中傳輸時(shí)的效應(yīng)。大氣湍流折射率的統(tǒng)計(jì)特性直接影響激光束的傳輸特性，通常用折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Ci的數(shù)值大小表征湍流強(qiáng)度，即 弱湍流 Cn =8180。108m1/3強(qiáng)湍流 Cn =5180。大氣閃爍的幅度特性由接收平面上某點(diǎn)光強(qiáng)I的對(duì)數(shù)強(qiáng)度方差來(lái)表征 ()可通過(guò)理論計(jì)算求得，而則可由實(shí)際測(cè)量得到。當(dāng)湍流強(qiáng)度增強(qiáng)到一定程度或傳輸距離增大到一定限度時(shí)，閃爍方差就不再按上述規(guī)律繼續(xù)增大，卻略有減小而呈現(xiàn)飽和，故稱之為閃爍的飽和效應(yīng)。若將光束視為一體，經(jīng)過(guò)若干分鐘會(huì)發(fā)現(xiàn)，其平均方向明顯變化，這種慢漂移亦稱為光束彎曲。彎曲表現(xiàn)為光束統(tǒng)計(jì)位置的慢變化，漂移則是光束圍繞其平均位置的快速跳動(dòng)。根據(jù)折射定律，在水平傳輸情況下不難證明，光束曲率為 ()c為正，光束向下彎曲；當(dāng)189。 35176。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一般情況下白天光束向上彎曲；晚上光束向下彎曲。由此可見(jiàn)，光束越細(xì)，漂移就越大。當(dāng)Cn180。上述討論表明，光束彎曲與漂移二者不能混同。這可解釋為在光束產(chǎn)生漂移的同時(shí)，光束在接收面上的到達(dá)角也因湍流影響而隨機(jī)起伏，即與接收孔徑相當(dāng)?shù)哪且徊糠植ㄇ跋鄬?duì)于接收面的傾斜產(chǎn)生隨機(jī)起伏。對(duì)于大多數(shù)電光晶體材料，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著，故在此只討論線性電光效應(yīng)。未加外電場(chǎng)時(shí)，主軸坐標(biāo)系中，晶體折射率橢球方程為 ()nx，ny，nz為折射率橢球的主折射率。（）式可以用張量的矩陣形式表示 ()對(duì)常用的KDP（KH2PO4）晶體有nx=ny=no，nz=ne，no＞ne，只有，而且。yy162。圖1 加電場(chǎng)后折射率橢球的變化將x坐標(biāo)和y坐標(biāo)繞z軸旋轉(zhuǎn)a角得到感應(yīng)主軸坐標(biāo)系（x162。z162。感應(yīng)主軸坐標(biāo)系中地橢球方程為 ()主折射率變?yōu)? ()可見(jiàn)，KDP晶體沿z軸加電場(chǎng)時(shí)，由單軸晶體變成了雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸旋轉(zhuǎn)了45176。2．電光相位延遲實(shí)際應(yīng)用中，電光晶體總是沿著相對(duì)光軸的某些特殊方向切割而成的，而且外電場(chǎng)也是沿著某一主軸方向加到晶體上，常用的有兩種方式：一種是電場(chǎng)方向與光束在晶體中的傳播方向一致，稱為縱向電光效應(yīng)；另一種是電場(chǎng)與光束在晶體中的傳播方向垂直，稱為橫向電光效應(yīng)。zy162。則其雙折射特性取決于橢球與垂直于z軸的平面相交所形成的橢圓。和y162。和y162。和ny162。和y162。它們?cè)诰w內(nèi)傳播L光程分別為nx162。L，這樣，兩偏振分量的相位延遲分別為 當(dāng)這兩個(gè)光波穿過(guò)晶體后將產(chǎn)生一個(gè)相位差 ()這個(gè)相位延遲完全是由電光效應(yīng)造成的雙折射引起的，所以稱為電光相位延遲。 當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量Ex162。的光程差為半個(gè)波長(zhǎng)（相應(yīng)的相位差為p）時(shí)所需要加的電壓，稱為“半波電壓”，通常以Vp或Vl/2。由（）式得到 ()于是 ()半波電壓是表征電光晶體性能的一個(gè)重要參數(shù)，這個(gè)電壓越小越好，特別是在寬頻帶高頻率情況下，半波電壓越小，需要的調(diào)制功率就越小。當(dāng)晶體上加電壓V=Vp/2， ()這是一個(gè)正橢圓方程，說(shuō)明通過(guò)晶體的的合成光為橢圓偏振光。當(dāng)外加電壓V=Vp， ()合成光為線偏振光，但偏振方向相對(duì)于入射光旋轉(zhuǎn)了一個(gè)2q角（若q=45176。沿著y方向），晶體起到一個(gè)“半波片”的作用。y162。y162。分量為 yxy162。zy162。Ex162。a b c d e f g h iDj=0 Dj=p/2 Dj=p圖2 縱向運(yùn)用KDP晶體中光波的偏振態(tài)的變化 y162。x162。角，這種運(yùn)用方式一般采用45176。設(shè)光波垂直于x162。角，進(jìn)入晶體（y162。和z方向的兩個(gè)垂直偏振分量。傳播距離L后 x162。KDP晶體的橫向運(yùn)用也可以采用沿x或y方向加電場(chǎng)，光束在與之垂直的方向傳播。比較KDP晶體的縱向運(yùn)用和橫向運(yùn)用兩種情況，可以得到如下兩點(diǎn)結(jié)論：第一，橫向運(yùn)用時(shí)，存在自然雙折射產(chǎn)生的固有相位延遲，與外加電場(chǎng)無(wú)關(guān)。第二，橫向運(yùn)用時(shí)，總的相位延遲不僅與所加電壓成正比，而且晶體的長(zhǎng)寬比(L/d)有關(guān)。因此，增大L或減小d就可大大降低半波電壓。 光波在聲光晶體中的傳播聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。當(dāng)光波通過(guò)此介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光的衍射。1. 相位柵類型nvsxn0Dnls圖1 超聲行波在介質(zhì)中的傳播超聲行波的瞬時(shí)相位柵如圖1所示。設(shè)聲波的角頻率為ws，波矢為，則沿x方向介質(zhì)的折射率變化為lsxa圖2 超聲駐波 ()介質(zhì)折射率分布為 ()S為超聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)變；P為材料的彈光系數(shù)。2. 聲光衍射按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用長(zhǎng)度的不同，聲光相互作用可以分為拉曼納斯衍射和布喇格衍射兩種類型。當(dāng)光波平行通過(guò)介質(zhì)時(shí)，幾乎不通過(guò)聲波面，因此只受到相位調(diào)制。lsllqL入射光xy聲波陣面聲波光波陣面圖3拉曼納斯衍射圖衍射光由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級(jí)衍射光，這就是拉曼納斯衍射的特點(diǎn)。則在聲場(chǎng)外P點(diǎn)處總的衍射光強(qiáng)是所有子波源貢獻(xiàn)的和 ()Jr(v)是r階貝塞爾函數(shù)；l=sinq 。由于，表明無(wú)吸收時(shí)衍射光各級(jí)極值光強(qiáng)之和應(yīng)等于入射光強(qiáng)，即光功率是守恒的。(2)布喇格衍射產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長(zhǎng)度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。ls入射光wi衍射光wi+ws2q非衍射光圖5 布喇格聲光衍射聲波若能合理選擇參數(shù)，并使超聲場(chǎng)足夠強(qiáng)，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級(jí)（或1級(jí)）衍射極值上。入射光 x1 2衍射光1162。lsqiqdB Cx(a)2入射光 3 xlsCEqiqd2162。衍射光(b)圖6 產(chǎn)生布喇格衍射條件的模型ADGF入射光1和2在B，C點(diǎn)反射的1162。同相位，則光程差A(yù)CBD等于光波波長(zhǎng)的整倍數(shù) ()要使聲波面上所有點(diǎn)同時(shí)滿足這一條件，只有使 ()由C，E點(diǎn)反射的2162。同相位，則光程差FE＋EG必須等于光波波長(zhǎng)的整數(shù)倍 ()考慮到，所以 ()qB稱為布喇格角。布喇格衍射光強(qiáng)度與聲光材料特性和聲場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。得衍射效率 ()是聲光介質(zhì)的物理參數(shù)組合，是由介質(zhì)本身性質(zhì)決定的量，稱為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)（或聲光優(yōu)質(zhì)指標(biāo)），它是選擇聲光介質(zhì)的主要指標(biāo)之一；Ps超聲功率；H為換能器的寬度，L為換能器的長(zhǎng)度。外加磁場(chǎng)作用所引起的材料的光學(xué)各向異性稱為磁光效應(yīng)。1. 法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)但在光頻波段內(nèi)，令，幾乎所有的磁光現(xiàn)象都可得到解釋。代入菲涅耳方程，由系數(shù)行列式為零，得到折射率n所滿所足的方程 ()假設(shè)光波在立方晶體或各向同性介質(zhì)中（）平行于磁化強(qiáng)度（z）方向（lx=ly=0，lz=1）傳播，得 () ()可見(jiàn)Ez=0，即介質(zhì)中傳播的光波為橫波，相應(yīng)的傳播模式為右旋和左旋的兩個(gè)圓偏振光波： ()因此，沿x方向偏振的入射光經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的磁光介質(zhì)后將偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度