第二部分-(I)-光波特性.ppt

第二部分光波的特性 激光的基本原理及特性 一 光波的特性 一 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程1 电磁波谱光是一种电磁波 X射线 射线也都是电磁波 它们的电磁特性相同 只是频率或波长不同而已 将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱 则称为电磁波谱 通常所说的光学区域或光学频谱包括 红外线 可见光和紫外线 由于光的频率极高1012 1016Hz 1014 1015Hz 一般采用波长表征 光谱区域的波长范围约从1mm到10nm 远红外 1mm 20 m 红外线 1mm 0 76 m 中红外 20 m 1 5 m 近红外 1 5 m 0 76 m 红色 760nm 630nm 橙色 630nm 600nm 黄色 600nm 570nm 可见光 760 380nm 绿色 570nm 490nm 青色 500nm 450nm 蓝色 450nm 430nm 紫色 430nm 380nm 近紫外 380nm 300nm 紫外光 380 10nm 中紫外 300nm 200nm 真空紫外 200nm 10nm 激光的基本原理及特性 波长 m 无线电波 微波 红外线 紫外线 可见光 X射线 射线 宇宙射线 1 m 103 m 106 mm 109 10 3 10 6 10 9 nm 波长 nm 106 10 200 390 455 492 577 597 622 760 5x103 6x103 4x104 300 极远 远 近 极远 远 中 近 红 橙 黄 绿 蓝 紫 电磁波谱图 第二部分光波的特性 激光的基本原理及特性 2 麦克斯韦电磁方程根据光的电磁理论 光波具有电磁波的所有性质 这些性质都可以从电磁波的基本方程 麦克斯韦方程组推导出来 麦克斯韦方程组的微分形式 D B 0 xE B t xH J D t 式中 D E B H分别表示电感应强度 电位移矢量 电场强度 磁感应强度 磁场强度 是自由电荷密度 J是传导电流密度 这种微分形式的方程组将空间任一点的电 磁场联系在一起 可以确定空间任一点的电 磁场 3 物质方程D EB HJ E式中 0 r为介电常数 描述介质的光学性质 0是真空中介电常数 r是相对介电常数 0 r为介质磁导率 描述介质的磁学性质 0是真空中磁导率 r是相对磁导率 为电导率 描述介质的导电特性 注 若介质的光学性质是各向异性的 则 和 应当是张量 第二部分光波的特性 激光的基本原理及特性 4 波动方程在各向均匀的介质中 在远离辐射源 不存在自由电荷和传导电流的区域 此时麦克斯韦方程组简化为 D 0 B 0 xE B t xH D t 由此可推导出交变电磁场所满足的典型的波动方程 2E 1 2 2E t2 0 2H 1 2 2H t2 0该式说明了交变电场和磁场是以速度 传播的电磁波动 式中 1 2光电磁波在真空中的传播速度 0 0 1 2为表征光在介质中传播的快慢 引入光折射率 n c r r 1 2除铁磁性介质外 大多数介质的磁性都很弱 可以认为 r 1 因此 折射率可以表示为 n r 1 2此式称为麦克斯韦关系 对于一般介质 r或n都是频率的函数 具体的函数关系取决于介质的结构 第二部分光波的特性 激光的基本原理及特性 5 光电磁波的能流密度为了描述电磁能量的传播 引入能流密度 玻印亭 Poyning 矢量S 它定义为 S ExH表示单位时间内 通过垂直于传播方向上的单位面积的能量 对于一种沿Z方向传播的平面光波 光场表示为 E exE0cos wt kz H hyH0cos wt kz 式中的ex hy是电场 磁场振动方向上的单位矢量 其能流密度S为S szE0H0cos2 wt kz S sz n 0c E0 2cos2 wt kz 平均能流密度 S 为S在光探测器的响应时间内的积分 光强 I S 1 2 n 0c E0 2 1 2 1 2 E0 2 a E0 2在同一种介质中 光强与电场强度振幅的平方成正比 第二部分光波的特性 激光的基本原理及特性 6 平面光波光波中包含有电场矢量和磁场矢量 从波的传播特性来看 它们处于同样的地位 但是从光与介质的相互作用来看 其作用不同 在通常应用的情况下 磁场的作用远比电场弱 甚至不起作用 因此 通常把光波中的电场矢量E称为光矢量 把电场E的振动称为光振动 在讨论光的波动特性时 只考虑电场矢量E即可 1 单色平面波单色平面波的三角函数表示沿 z方向传播的平面光波 其电场表示式为单色平面波的复数表示式 2 球面光波一个各向同性的点光源 它向外发射的光波是球面光波 等相位面是以点光源为中心 随着距离的增大而逐渐扩展的同心球面 所以球面光波的振幅只随距离R变化 第二部分光波的特性 激光的基本原理及特性 7 光的偏振平面光波是横电磁波 其矢量的振动方向与光波传播方向垂直 根据空间任一点电场E的矢量末端在不同时刻的轨迹不同 其偏振态可分为线偏振 圆偏振和椭圆偏振 8 光的干涉光的波动性主要标志之一 两列波叠加后产生干涉现象 光的干涉本质 光强重新分配 相干的条件 同频率 同偏振 有固定的相位差 9 光的衍射光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时 所发生的偏离直线传播的现象 光的衍射现象与光的干涉现象其实质都是相干光波叠加引起的光强的重新分布 不同之处 光的干涉现象是有限个相干光波的叠加 光的衍射则是无限多个相干光波的叠加的结果 衍射分为 夫琅和费衍射和菲涅耳衍射 第二部分光波的特性 激光的基本原理及特性 10 光学膜光学薄膜 多光束干涉 空气n1 玻璃n2 Ii Ir It R n1 n2 n1 n2 2T 4n1n2 n1 n2 2 n1 n2 n3 R n1n3 n2 2 n1n3 n2 2 2 空气 玻璃 MgF 多层高反射膜 H D 高反射膜为奇数层层数越多 R越大只对应一种波长 第二部分光波的特性 激光的基本原理及特性 二 光子学说光子学说的核心就是光是由一些以光速传播的物质单元 光子所组成 1 光子具有能量 而这种能量与一定的光频率相对应 h 2 光子具有动量 而这种动量与一定的光波长 一定的传播方向相对应p h n0 hk3 光子具有质量m 但光子静态质量为0 动态质量与能量的关系为 mc24 光子具有两种可能的独立偏振状态 对应于光波场的两个独立偏振态 5 光子具有自旋 并且自旋量子数为整数 因此大量光子的集合 服从玻色 爱因斯坦统计规律 处于同一状态的光子数目没有限制 这是光子与其它服从费米统计分布的离子 电子 质子 中子等 的重要区别 第二部分光波的特性 激光的基本原理及特性 6 光子状态的描述测不准关系 位置与动量不能同时确定在一个有限的空