物理光学课件.ppt

1 满眼生机转化钧 天工人巧日争新 预支五百年新意 过了千年又觉陈 虽然大器晚年成 卓荦全凭弱冠争 多识前言畜其德 莫抛心力贸才名 2 王发强Fq wang 信息光电子科技学院华南师范大学 3 介绍课程参考书 物理光学与应用光学 石顺祥等 西安电子科技大学出版社 2002光学 王楚 汤俊雄 北京大学出版社 2001光学 赵凯华 钟锡华 北京大学出版社 1984PrinciplesofOptics 7thedition M Born E Wolf 世界图书出版社 2001 4 课程要求 课堂笔记平时作业考试成绩严肃纪律 5 电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的 一个是电场波 一个是磁场波 波动光学理论近似于电磁理论 它只说明了光是一个具有时间和位置的标量函数 波函数 几何光学是在短波长范围的更进一步简化 因此 可以认为电磁光学包含了波动光学 而波动光学又包含了几何光学 量子光学的理论几乎可以解释所有光学现象 比电磁光学更具一般性 全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射 光子统计和激光线宽等问题 6 在研究光与介质 一般为二能级的原子模型 的相互作用时 有如下几种处理方法 经典方法 麦克斯韦方程描述场 用经典电磁学方法处理原子与光场的相互作用 半经典方法 麦克斯韦方程描述场 量子力学方法处理原子与光场的相互作用 如最常用的Maxwell Blocth方程 全量子方法 场进行量子化 原子在场中的行为也用量子力学方法处理 Janes Cummings模型 7 光学总论 光学史光学是人们对光进行研究和应用的科学 首先 它是一门古老的学科 早在4000年前的古埃及和约3000年前的中国 人们就有利用光学现象的先例 如铜镜 凹面镜取火 周礼 考工记 周朝 等 到了公园前400年 我国出现了有关针孔成像 墨经 先秦 景到 倒 在午有端 与景长 说在端 平面镜和球面镜 梦溪笔谈 宋朝 等早期光学实验记录 今天光学教科书的传统内容已十分丰富 8 其次 它又是一门朝阳学科 自1960年激光问世以来 光学渗透到了各个领域 并出现了交叉分支 人们对光学的科学研究集中在光的本质 光的传播以及与物质的相互作用方面 对于光究竟是什么 直到17世纪才形成两种看法各异的观点 微粒说和波动说 9 微粒说的代表人物是笛卡尔 R Descartes 和牛顿 I Newton 其认为发光物体都发射光微粒 这些微粒可在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动 微粒说可解释光的直线传播 光的反射现象 亦可勉强解释光的折射 但对实验中相继发现的大量光的干涉 衍射和偏振现象却无法解释 10 波动说是有胡克 R Hooke 和惠更斯 C Huygens 提出的 其认为光是一种波动 光的传播不是微粒的运动 而是运动能量按波的形式迁移的过程 波动说能更简单地解释光的反射 折射现象 遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程 认为光是一种弹性波 因而必须臆想一种特殊的弹性介质 以太 充满空间 这种介质应密度极小和弹性模量极大 这些均无法实验验证 11 加之当时出于牛顿在力学方面的巨大贡献 因此对波动说几乎无人相信 直到19世纪初 由于杨氏 T Young 菲涅尔 A J Fresnel 等一批科学家的不懈努力 令人信服地用波动说解释了光的干涉 衍射和偏振现象 波动理论的地位才被确立 12 在光学发展过程中 曾出现过令物理学家大为困惑的 极力寻找和证实的物质 以太 ether 既然光是一种波 那么 它赖以传播的介质是什么 这个问题直到19世纪末随着洛伦兹 H A Lorentz 创立电子论及随后的场论 才使以太论最终抛弃 13 至此 人们以为最终认识了光的本质 然而本世纪初 在解释黑体辐射 光电效应及康普顿散射等现象时 波动说却无能为力 1905年 爱因斯坦 A Einstein 重新提出光的粒子性概念 光子 从而解决了以上的问题 14 光有粒子性和波动性双重性质 波粒二相性 不同场合表现出的属性不同 60年代 由于激光的发明 使得人们在光通讯 全息术 非线性光学 光信息处理等方面能大显身手 15 第十章光的电磁理论基础 光的本质光的电磁理论的建立麦克斯韦 Maxwell 赫兹 Hertz 光在电磁波中的位置 16 Theelectromagneticspectrum 17 第一节光的电磁性质 高斯定理 安培定则 磁场强度 电场强度 B 磁感强度 D 电感强度 H E 一 麦克斯韦方程组 Maxwell sequation 1 静电场和稳恒电流磁场的基本规律 18 2 麦克斯韦方程组的积分形式 高斯定理 法拉第定理 涡旋定理 后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用 19 3 麦克斯韦方程组的微分形式 微分形式 10 1 10 2 10 3 10 4 揭示了电流 电场 磁场相互激励的性质 20 二 物质方程 描述物质在场作用下特性的方程 21 三 电磁场的波动性 波动方程 点积为零 叉积与时间偏导成正比 10 13 10 14 22 23 四 平面电磁波及其性质 一 波动方程的平面波解 1 方程求解 设光波沿z轴正向传播 24 25 这是行波的表示式 表示源点的振动经过一定的时间推迟才传播到场点 取正向传播 2 解的意义 26 二 波动方程的平面简谐波解 SimpleHarmonicWave 位相是时间和空间坐标的函数 表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态 27 波动公式 10 25 10 26 上式是一个具有单一频率 在时间和空间上无限延伸的波 28 沿空间任一方向k传播的平面波 复振幅 只关心光波在空间的分布 29 三 平面电磁波的性质 1 横波特性 电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播方向 2 E B k互成右手螺旋系 3 E和B同相 30 31 32 五 球面波和柱面波 1 球面波 任意时刻波振面为球面的光波 公式 公式的意义 33 2 柱面波 具有无限长圆柱波面的波 一般由线光源产生 公式 公式的意义 34 Concept 1 Amplitude A istheheightofthewaveabovetheaxisofpropagation Theenergyofthelightisproportionaltothesquareoftheamplitude 2 Wavelength isthedistancebetweenconsecutiveequivalentpointsonthewave 3 Frequency isthenumberofoscillationspersecond 35 Concept 4 Period T isthetimeittakesapointonthewavetomakeoncompleteoscillation Periodandfrequencyarereciprocaltooneanother 5 Thevelocityofpropagation v ofawaveistheproductofwavelengthandfrequency 36 本课内容回顾 1 麦克斯韦方程组2 物质方程3 波动方程4 电磁波的平面波解 平面波 简谐波解的形式和意义 物理量的关系 电磁波的性质 5 球面波和柱面波 定义 方程表达式 37 Homework 1 Aparticleisinsimpleharmonicmotionwithaperiodof3sandanamplitudeof6cm One halfsecondaftertheparticlehaspassedthroughitsequilibriumposition whatis 1 Itsdisplacement 2 Itsvelocity 3 Itsacceleration 38 Maxwell JamesClerkMaxwell 1831 1879 Scottishmathematicianandphysicist Atage15 hepresentedapaperbeforetheRoyalSociety at16 becameinterestedinopticswhenhehadthechanceofvisitingNicol whogavehimapairofpolarizingprisms In1864 hereadapaperbeforetheRoyalSociety publishedayearlater ADynamicalTheoryoftheElectromagneticField Hesaysthat Lightitselfisanelectromagneticdisturbanceintheformofwavespropagatedthroughtheelectromagneticfieldaccordingtoelectromagneticlaws 39 Hertz HeinrichRudolfHertz 1874 1937 Germanphysicist in1887 foundthewavespredictedbyMaxwell22yearsago 40 SimpleHarmonicWave Ifthewavefollowsasinefunctionoracosinefunction andthewaveformthereforeiseithersinusoidalorcosinusoidal itiscalledasimpleharmonicwave 41 第四节光波的叠加 Superpositionofwaves 2 波的叠加原理 几个波在相遇点产生的合振动是各个在该点产生振动的矢量和 p201 1 波的叠加现象 一 波的叠加原理 42 3 注意几个概念 叠加结果为光波振幅的矢量和 而不是光强的和 光波传播的独立性 两个光波相遇后又分开 每个光波仍然保持原有的特性 频率 波长 振动方向 传播方向等 叠加的合矢量仍然满足波动方程的通解 式 10 20 一个实际的光场是许多个简谐波叠加的结果 43 二 两个频率相同 振动方向相同的单色光波的叠加 一 三角函数的叠加 44 二 复函数的叠加 45 三 对叠加结果的分析 主要对象为合成的光强 46 三 驻波 两个频率相同 振动方向相同而传播方向相反的单色光波的叠加将形成驻波 垂直入射的光波和它的反射光波之间将形成驻波 47 48 四 两个频率相同 振动方向垂直的单色光波的叠加 合振动的大小和方向随时间变化 合振动矢量末端运动轨迹方程为 49 椭圆形状的分析 图10 30 50 右旋光与左旋光 1 右旋光 迎着光的传播方向观察 合矢量顺时针方向旋转 2 左旋光 迎着光的传播方向观察 合矢量逆时针方向旋转 51 五 光学拍 光学拍是由两个频率接近 振幅相同 振动方向相同且在同一方向传播的光形成的 图10 32 52 53 lm A 54 合成波的强度随时间和位置而变化的现象称为拍 其频率称拍频 Beatfrequency 拍频的应用 利用已知的一个光频率w1 测量另一个未知的光频率w2 55 六 群速度和相速度 1 相速度 Phasevelocity 等位相面传播的速度 56 2 群速度 Groupvelocity 等振幅面传播的速度 在真空中传播时 波速相同 相速度和群速度相等 在色散介质中传播时 不同频率的光波传播速度不同 合成波形在传播过程中会不断地变化 相速度和群速度便不同了 57 本课内容回顾 1 波的