今天講幾個光學(xué)的基本概念:波長,振幅,相位,譜寬,帶寬,脈寬; 波長:一個完整周期的光波長度; 小波長和大波長: 振幅:光子運(yùn)動時,垂直于前進(jìn)方向的橫截面上,上下運(yùn)動的幅度; 小振幅和大振幅: 頻率:光速/波長,也可理解為單位長度上,完整周期的波長的個數(shù); 比如上圖,相同的長度,上面有10個波長,下面只有2個波長,故而上面的光波頻率高(波長短),下面光波頻率低(波長長); 注意:之所以這樣解釋,是為了更通俗易懂,嚴(yán)格意義上,這應(yīng)該是波數(shù)的定義,單位長度取2π的話,波數(shù)k=2π/λ; 頻率f和波長λ可以通過波速( 因光在真空中的光速為C(3*108m/s),故有C=fλ; 也許有小伙伴會問,那根據(jù)光速C定義的波長,在經(jīng)過不是真空介質(zhì)時,波長是不是會變? 恭喜你答對了! 話題拉回來,頻率跟波長是成反比的關(guān)系; 相位:光波在空間的位置分布; 圓周和正弦波的空間位置關(guān)系: 可以看出,一個完整的正弦波周期,對應(yīng)的相位是2π,相位是指特定時刻,上坡/下坡的狀態(tài); 光波的傳播: 類似水波的傳播: 一圈圈“漣漪”便是一個個水波; 小“漣漪”是小振幅,大“漣漪”是大振幅; “清風(fēng)徐來,水波不興”,是小振幅; “驚濤拍岸,卷起千堆雪”,是大振幅; 各種波長的光波: 波長,振幅,相位,都是描述光波在時間維度(時域)上的空間分布的現(xiàn)象; 將時域和頻域信息集合在一起來看光波: 時域,是在時間的維度來看光波,振幅、相位信息在時域會比較容易直觀地觀察到; 頻域,是在頻率的維度來看光波,將光波分解成不同頻率的集合,比如譜寬(光譜寬度)在頻域就比較容易測得; 波長,振幅,相位,頻率,在時域-頻域上的關(guān)系: 時域—>頻域,通常采取傅立葉變換的方式; 當(dāng)然,在時域,也不是不能測光譜; 比如,光在不同介質(zhì)中的折射率不同,導(dǎo)致不同顏色(不同頻率/也可以說不同波長)的光在通過介質(zhì)時,發(fā)生不同程度的折射,這就是色散現(xiàn)象; 利用色散可以將不同頻率的光分開,但是光路會非常復(fù)雜,還涉及分辨率、信噪比等一系列的技術(shù)參數(shù)問題。 而在頻域,這就相對容易多了,感興趣可參考:傅立葉變換是什么?MTF; 關(guān)于頻域,光器件的典型應(yīng)用,是測光譜,比如中心波長、譜寬: 在頻域上,測量譜寬(Spectral Width,不同頻率的光譜的寬度)是很方便的; FP的頻譜圖和DFB頻譜圖: 可以看出,無論FP,還是DFB,皆是由多縱模(縱模是相對橫模而言的概念,橫模是指的時域的光強(qiáng)空間分布形態(tài)),即多頻率的光組成的,只不過是DFB將次模(中心波長以外頻率的光)通過光柵將其出光功率抑制到1/1000以下(-20dB); 不同波長的電磁波(光波是電磁波中的一類,通常將紫外—>紅外的波段叫光波),按名稱分類: Y射線,即伽瑪射線,常見的應(yīng)用:用作文物鑒定中,進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)的檢測; X射線的應(yīng)用:機(jī)場、火車站的安全檢查; 紫外線的應(yīng)用:美容,比如指甲油固化燈; 需要說明的是紫外線是肉眼看不到的,之所以能看到紫色的光,是因?yàn)榧恿藷晒馕镔|(zhì),吸收紫外線后發(fā)出的紫色可見光; 類似的應(yīng)用,還有光器件的UV膠固化燈;感興趣可參考:光器件的膠水工藝 可見光的應(yīng)用:手機(jī),其實(shí)肉眼可看見的光學(xué)系統(tǒng)如望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等都是可見光范疇; 紅外線的應(yīng)用:光通信的光器件,可參考:TO56光學(xué)設(shè)計及工藝; 車載激光雷達(dá),可參考:籍由激光雷達(dá)Lidar談?wù)凢OV; 微波的應(yīng)用:微波爐; 無線電波的應(yīng)用:藍(lán)牙、WiFi; 不同波長的電磁波,都有各自的特點(diǎn),可應(yīng)用在不同的領(lǐng)域; 以半導(dǎo)體激光器為例,不同的三五族化合物大致上決定了材料發(fā)光的范圍,比如: 基于砷化鎵 GaAs的近紅外波段(760~1060 nm)半導(dǎo)體激光器 ,可用于工業(yè)激光器,其應(yīng)用及整形光學(xué)設(shè)計,可參考:快軸/慢軸準(zhǔn)直透鏡FAC+SAC光學(xué)設(shè)計及應(yīng)用; 基于磷化銦(InP)的DFB(分布式反饋激光器,1271nm /1291nm /1311nm /1331nm)可以實(shí)現(xiàn)25G及以下速率,原理及用其封裝而成的光器件,可參考:DFB激光器,DFB激光器的縱模譜,光學(xué)設(shè)計&工藝,TO56光學(xué)設(shè)計及工藝,TO38光學(xué)設(shè)計及封裝工藝, 基于銦鎵砷InGaAs的光電探測器(1310nm,1490nm,1550nm),原理及其封裝而成的光器件,可參考:PD的速率與光敏面,同軸封裝 TO46,TO46光學(xué)設(shè)計及其工藝; 基于硅Si的AWG(陣列波導(dǎo)光柵,1271nm /1291nm /1311nm /1331 nm),可參考:陣列波導(dǎo)光柵AWG,AWG 續(xù)(一); 根據(jù)信號的調(diào)制方式,激光器可以發(fā)射連續(xù)光,也可以發(fā)射脈沖光; 連續(xù)激光: 連續(xù)激光在時域-頻域上的表現(xiàn)形式為: 脈沖激光: 脈沖激光在時域-頻域的表現(xiàn)形式為: 可以看出,脈沖是時域上的參數(shù),不過是激光間斷性地開/關(guān),其頻譜跟連續(xù)激光是一樣的; 在需要發(fā)射高功率密度激光的場景,比如工業(yè)領(lǐng)域的大功率激光器,通常會使用脈沖激光,因?yàn)槊}沖激光器能夠在非常短的時間內(nèi),發(fā)射較高的光能量; 為什么需要使用脈沖激光呢?因?yàn)榧す馄餍枰?,在需要發(fā)射較大光功率時,激光器發(fā)熱嚴(yán)重,脈沖激光不發(fā)光的時候,就是給激光器預(yù)留散熱時間的,否則,連續(xù)工作的話,會燒壞激光器的; 因此脈沖激光有個參數(shù),叫占空比; 占空比=脈沖寬度/1個周期; 且可以看出,脈寬(脈沖寬度,Pulse Width)的單位,是時間; 激光器在實(shí)際工作的時候,不可能剛一上電,立刻就發(fā)射激光,也不會剛一關(guān)電,立刻就沒光,會有一個上升時間和下降時間的“爬坡/下坡”過程,故而真實(shí)的脈沖,不是方波,而是以下的正弦波: 重頻:重復(fù)頻率,即前文所述的1個周期的倒數(shù),周期的單位是時間s,而重頻的單位則是赫茲Hz; 假設(shè)一個脈寬的總光功率為Ppulse,則: 峰值功率為:Ppulse/脈寬; 平均功率為:Pavg=Ppulse/周期=Ppulse*重頻; 關(guān)于帶寬的概念,正常情況下,指的是信號可傳輸?shù)念l率范圍,而光學(xué)指標(biāo)中的帶寬,通常指的是譜寬; 所以帶寬是頻域的概念,脈寬是時域的概念,而波長則是時域概念里,光波隨著時間在空間分布的形態(tài),也屬于時域的概念; 看似帶寬和脈寬之間是獨(dú)立的,沒啥關(guān)系; 但實(shí)際上帶寬和脈寬之間是存在一個基本限制的,用時間-帶寬積TBP(Time-Bandwidth Product)來表示,比如高斯脈沖的TBP大約為0.44; 那么,帶寬越寬,脈沖越窄; 反之,帶寬約窄,脈沖越寬; 通常所說的脈沖激光器,是指單個激光脈沖寬度小于0.25秒; 脈寬有毫秒(ms)、微秒(μs)、納秒(ns)、皮秒(ps)、飛秒(fs)等各種量級。 這些量級的換算關(guān)系為: 1秒(s) = 1000毫秒(ms) 1毫秒(ms)= 1000微秒(μs)= 10-3秒 1微秒(μs) = 1000納秒(ns)= 10-6秒 1納秒(ns)= 1000皮秒(ps)= 10-9秒 1皮秒(ps)= 1000飛秒(fs)=10-12秒 1飛秒(fs)=10-15秒 1飛秒是一秒的一千萬億分之一。 注:原創(chuàng)文章,轉(zhuǎn)載請標(biāo)明出處! |
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