第六章光的电磁理论.ppt

一 物理光学的发展 光的干涉 衍射 偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波热辐射 光电效应 光压以及光的化学作用证明了光的量子性 微粒性 爱因斯坦研究辐射时指出 在一定条件下 如果能使受激辐射继续去激发其他粒子 造成连锁反应 雪崩似地获得放大效果 最后就可得到单色性极强的辐射 即激光 光具有波粒二象性 一切的微观粒子都有波粒二象性 二 物理光学的研究内容 物理光学 研究光的基本属性 传播规律和光与物质之间的相互作用 波动光学 从光的波动性出发研究光在传播过程中所发生的现象的学科 可比较方便的研究光的干涉 光的衍射 光的偏振 以及光在各向异性的媒质中传播时所表现出的现象 量子光学 从光子的性质出发 研究光与物质相互作用的学科 三 物理光学的应用 1 军事和国防 2 精密测量 3 通讯 4 医疗 5 信息处理 由此派生出很多交叉学科 如天文光学 海洋光学 遥感光学 大气光学 生理光学及兵器光学等 6 天文 第六章光的电磁理论基础 1 光的电磁性质2 光的折射和反射3 光波的叠加 麦克斯韦方程组的积分形式 交变场 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 变化的磁场产生涡旋电场 变化的电场产生涡旋磁场 D 电感强度B 磁感强度E 电场强度H 磁场强度 磁通量 6 1光的电磁性质 麦克斯韦方程揭示了电场 磁场的性质及电 磁场之间的联系 方程 电场的高斯定律 电场可以是有源场 电力线必须从正电荷出发终止于负电荷 方程 磁通连续定律 磁场是无源场 通过闭合面的磁通量等于零 磁力线是闭合的 方程 法拉第电磁感应定律 变化磁场产生感应电场 涡旋场 其电力线是闭合的 方程 安培全电流定律 传导电流和位移电流都对磁场的产生有贡献 总结 二 物质方程 描述物质在场作用下特性的方程 欧姆定律 电导率 介电常数 磁导率 电磁场所在物质的性质 麦克斯韦方程组 物质方程 描述时变场情况下电磁场普遍规律 2 电磁波 1 平面简谐电磁波的波动公式 相位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 等相面或波面 某一时刻相位为常数的位置的轨迹 波矢量k 平面波的等相面是平面 等相面法线方向 波能量的传播方向 各向同性介质 大小 波数等于 四 平面电磁波及其性质 平面电磁波 与传播方向正交的平面上各点电场或磁场具有相同值的波 固定某一时刻 看波在空间的分布 固定空间某点 随时间周期振动 波动公式又可以表示为 平面电磁波是具有单一频率 在时间和空间上无限延伸的波 沿空间任一方向k传播的平面波方程 关心光波在空间的分布 四 平面电磁波及其性质 平面波的复数形式 1 平面电磁波方程 2 平面电磁波的性质 横波特性 电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播方向 E B k互成右手螺旋系 E和B同相位 五 球面波和柱面波 1 球面波 球面波的等相面是r 常量的球面 2 柱面波 柱面波的等相面是r 常量的柱面 第二节光在电介质分界面上的反射和折射 1 电磁场的连续条件 本质是光波的电磁场与物质相互作用 在没有传导电流和自由电荷的介质中 B和D的法向分量在界面上连续 E和H的切向分量在界面上连续 单色平面电磁波入射到两电介质表面时引起传播方向 振幅 相位 能量及偏振性的变化 入射面 界面法线与入射光线组成的平面 振动面 电场矢量的方向与入射光线组成的平面 电矢量所在的平面 任一方向振动的光矢量E可分解成两个互相垂直的分量p分量 平行于入射面振动S分量 垂直于入射面振动 几个概念 2 反射定律和折射定律 以S分量为例 x z 3 菲涅尔公式 反射波 折射波与入射波振幅和位相关系 以S分量为例 由连续条件得 E沿y方向分量连续 H沿x方向分量连续 当两介质 入射面xoz分界面xoy 时 得s波的振幅反射系数和振幅透射系数 同理得p波的振幅反射系数和振幅透射系数 一 振幅关系 讨论 光疏到光密 光密到光疏 二 位相关系 光通过界面时折射光波不发生相位变化 折射波 反射波 n1 n2光疏到光密 S波 P波 没有位相变化 全偏振 发生了 的位相变化 S波 P波 没有位相变化 全反射位相变化不是0或 全反射位相变化不是0或 发生了 的位相变化 全偏振 没有位相变化 二 位相关系 n1 n2光密到光疏 三 反射和折射时的偏振关系 入射光是线偏振光 入射光是自然光 反射光中没有振动平行于入射面的分量P波 发生全偏振 反射光是偏振光 入射角为布儒斯特角 即 透射光为P波占优势的部分线偏振光 提供了一种起偏的方法 布儒斯特定律 4 全反射 光从光密介质射向光疏介质 n 1 时 若入射角 称为临界角 则界面上所有的光都反射回第一媒质 第二媒质没有折射光 这种现象称为全反射 特点 反射时不损失能量 位相变化 S波和P波位相变化不是0或 应用 纤维光学和集成光学中 传导光能 传递光学图像 5 倏逝波 问题 全反射时的表观现象 实验分析 1 有折射光波进入第二媒质2 透入深度与入射波长有关3 振幅足够强时 将进入另一光密媒质 且按常规传播 光从光密媒质界面上发生全反射时 透过界面进入第二媒质约波长量级 并沿着界面流过波长量级距离 古斯 哈森位移 后返回第一媒质 沿着反射波方向出射的波 倏逝波 第二媒质中没有折射波 场在界面上不连续 第三节光波的叠加 一 波的叠加原理1 定义 2 叠加公式 3 原理的理解叠加结果为光波振动的矢量和 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 一个实际的光场是许多个简谐波叠加的结果 叠加是线性的 但当光强很大时这种叠加原理不再适用 二 两个频率相同 振动方向相同的单色光波的叠加 1 代数加法 得到合振动 2 相幅矢量加法相幅矢量A的表示 它的长度表示其某一光振动的振幅大小 与给定轴的夹角等于该光振动的相位 二 两个频率相同 振动方向相同的单色光波的叠加 相幅矢量加图解 3 对叠加结果的分析 主要对象为合成的光强 P点的合振动是一个简谐振动 振动频率和振动方向与两个单色光波相同 合成的光强 为真空中波长 光程 光在介质中的几何路程 介质折射率 光在真空中的传播路程 光程差 对应 光强的强弱 是分析 光的干涉 光的衍射 重要的物理量 牢固树立光程差概念 是 求解干涉 衍射问题的方法 光程差和相位差的关系 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 光强 与z无关 波不会在z方向上传播故这个波称为驻波 驻波 行波 没有能量的传播 激光谐振腔 维纳实验 1890 证实了光驻波的存在 光驻波现象 伴随能量的传播 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 合振动的角频率为 合振动矢量末端运动轨迹方程为椭圆 椭圆偏振光 椭圆形状的分析 Ey Ex 3 2 2 五 两个不同频率的单色光波的叠加 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 两个单色波 合成波 1 光学拍 五 两个不同频率的单色光波的叠加 lm A 合成波是一个频率为而振幅受到调制的波 振幅变化 强度变化 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 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 本节重点内容回顾 1 波的叠加原理2 两个频率相同 振动方向相同的单色光波叠加3 驻波 频率相同 振动方向同 传播方向相反 4 两个频率相同 振动方向垂直的单色光波叠加5 光学拍 小频率差 振动方向相同 传播方向相同 振幅相同 波的叠加原理 几个波在相遇点产生的合振动是各个波单独在该点产生的振动