（精选）1.1光的电磁性质ok.ppt

1 物理光学 PhysicsOptics 2 课程要求 课堂笔记平时作业考试成绩 最后成绩 平时作业 25 考试成绩 70 课堂表现 5 3 PhysicsOptics 物理光学 教材 作者 郁道银 谈恒英等 机械工业出版社 工程光学 下篇 4 内容提要光的电磁理论基础光的干涉和干涉系统光的衍射傅里叶光学光的偏振和晶体光学基础导波光学基础光子学基础 5 光学 赵凯华 钟锡华 北京大学出版社 1984光学 王楚 汤俊雄 北京大学出版社 2001PrinciplesofOptics 7thedition M Born E Wolf 世界图书出版社 2001基础光学 李良德 中山大学出版社电动力学 郭硕鸿 高等教育出版社 参考书目 6 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 到了公元前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 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 7 光学的分类 几何光学 光的传播 反射波动光学 光的干涉 衍射和偏振 电磁波 麦氏方程组量子光学 光的波粒二相性 8 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 几何光学时期 光的微粒说 9 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 波动光学时期 10 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 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 波动光学的建立 11 上世纪初 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 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 量子光学时期 12 现代光学激光光学 激光物理 激光技术 激光应用等 全息光学 光学全息与信息处理等 集成光学 集成光路理论及制造等 傅立叶光学 光学傅立叶分析 傅立叶变换等 激光光谱学 物质微观结构及分子运动规律的分析 非线性光学 光学介质及强光的相互作用 瞬态光学 光纤通信 光信息存储 受激拉曼散射 受激布里渊散射 飞秒激光 13 现代光学研究热点 纳米光学近场光学光子晶体超强超快激光光孤子 14 第一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 1873赫兹 Hertz 1888光在电磁波中的位置 15 16 Theelectromagneticspectrum 17 18 19 20 第一节光的电磁性质 21 一 麦克斯韦方程组 涡旋场 揭示了电流 电场 磁场相互激励的性质 22 二 物质方程 描述物质在场作用下特性的方程 性 23 三 电磁场的波动性 波动方程 24 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 25 26 麦克斯韦计算得 光波是电磁波麦克斯韦对这个预言坚信不疑 实验证实 赫兹 1888年完成 用电磁波重复了所有光学反射 折射 衍射 干涉 偏振实验 27 四 平面电磁波及其性质 28 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 29 30 这是行波的表示式 物理意义 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 31 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 物理意义 表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态 32 波动公式 10 25 10 26 上式的物理意义 一个具有单一频率 在时间和空间上无限延伸的波 33 沿空间任一k方向传播的平面波 复振幅 表示某一时刻光波在空间的分布 只关心其场振动的空间分布时 例如光的干涉和衍射等问题中 常用复振幅表示一个简谐光波 34 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 35 36 五 球面波和柱面波 37 38 39 40 41 42 43 44 四 光波的辐射和辐射能 光是电磁波 光源发光是物体辐射电磁波的过程 物体微观上可认为由大量分子 原子 电子所组成 可看成电荷体系 大部分物体发光属于原子发光类型 45 一 电偶极子辐射模型 理想模型 经典电磁理论把原子发光看成是原子内部过程形成的电偶极子的辐射 在外界能量的激发下 原子中电子和原子核不停运动 以致原子的正电中心 原子核 和负电中心 高速回转电子 往往不重合 且两者的距离不断变化 使原子成为一个振荡的电偶极子 振荡电偶极子在周围空间产生交变的电磁场 并在空间以一定的速度传播 伴随着能量的传递 46 二 实际光波的认识连续性 这是由于原子的剧烈运动 彼此间不断碰撞 辐射过程常常中断 因而原子发光是断断续续的 原子每次发光的持续时间是原子两次碰撞的时间间隔 持续时间很短 大约10 8 10 9秒 47 原子发出的光波由一段段有限长的称为波列的光波组成 每段波列 其振幅在持续时间内保持不变或缓慢变化 前后各段之间无固定的位相关系 48 偏振性 实际光源由大量原子和分子组成 所发出的光振动方向杂乱无章 在观察时间内 每个原子发生多次辐射 每次辐射的振动方向无规则 实际光源辐射的光不是偏振光而是自然光 光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的速度取0 360 内的一切可能的方向振动 且没有哪一个方向占有优势 具有上述特性的光 称为自然光 49 理想的单色光具有恒定单一波长的简谐波 它是无限伸展的 实际原子的发光是一个有限长的波列 所以不是严格的余弦函数 只能说是准单色光 即在某个中心频率 波长 附近有一定频率 波长 范围的光 单色性 50 例 普通单色光 10 2 100A 激光 10 8 10 5A 衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度 51 三 辐射能电磁波的传播过程伴随着能量在空间的传递 空间某一区域中单位体积的辐射能可以用电磁场的能量密度w表示 电场的能量密度磁场的能量密度为两者之间的关系 能流密度 波印廷矢量S 单位时间通过单位面积的能量 52 对于光波 电场 磁场变化迅速 变化频率在1015赫兹左右 的值也迅速变化 无法接收的瞬时值 只能接收其平均值 称辐射强度矢量的时间平