物理光学01绪论

1、整理课件物物 理理 光光 学学整理课件绪论绪论1. 物理光学的研究对象和内容物理光学的研究对象和内容 光学是研究光的本性光学是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作光的传播以及它和物质相互作用的学科。用的学科。 光学光学几何光学几何光学物理光学物理光学现代光学现代光学波动光学波动光学量子光学量子光学整理课件几何光学几何光学：基于：基于“光直线传播光直线传播”的概念讨论光的传播规律。的概念讨论光的传播规律。几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）。几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）。是光波衍射规律的短波近似。是光波衍射规律的短波近似。它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光

2、的本质。它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。几何光学几何光学主要是从直线传播，折射、反射定律等实主要是从直线传播，折射、反射定律等实验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题。验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题。整理课件波动光学波动光学：研究光的波动性（电磁波）的学科。：研究光的波动性（电磁波）的学科。主要内容有光的干涉、衍射、偏振，光在主要内容有光的干涉、衍射、偏振，光在各向同性各向同性介介质中的传播规律及光在质中的传播规律及光在各向异性各向异性介质中的传播规律。介质中的传播规律。v研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）以及用波研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）以及用波动理论对光与

3、物质相互作用进行描述的学科。动理论对光与物质相互作用进行描述的学科。v基本问题：在各种条件下的传播问题。基本问题：在各种条件下的传播问题。v基本原理：惠更斯基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。菲涅耳原理。v波前：原为等相面，现泛指波场中的波前：原为等相面，现泛指波场中的 任一曲面，任一曲面，更多的是指一个平面。更多的是指一个平面。v主要方法：如何描述、识别、分解、改造、记录主要方法：如何描述、识别、分解、改造、记录和再现波前，构成了波动光学的主要方法。和再现波前，构成了波动光学的主要方法。整理课件量子光学量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。：研究光与物质的相互作用的问题。v把光视为一个个分立的粒

4、子（光子）把光视为一个个分立的粒子（光子）,它主要用于它主要用于分析辐射、光发射以及光与物质的相互作用。分析辐射、光发射以及光与物质的相互作用。v在这领域内有时可用经典理论，有时需用量子理在这领域内有时可用经典理论，有时需用量子理论。对于这类原不属于传统光学的内容，有人冠论。对于这类原不属于传统光学的内容，有人冠之以之以“量子光学量子光学”名称，也有人把它们仍归于物名称，也有人把它们仍归于物理光学之内。理光学之内。整理课件现代光学现代光学： 20世纪后半期发展起来的光学体系世纪后半期发展起来的光学体系v1948年年全息术全息术的提出，的提出，1955年年光学传递函数光学传递函数的建的建立，立，

5、1960年年激光激光的诞生为其发展中的三件大事。的诞生为其发展中的三件大事。v薄膜光学薄膜光学的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技术的发展；术的发展；v傅立叶光学傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍的建立源于数学、通讯理论和光的衍射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光学变换过程，形成了光学信息处理的内容学变换过程，形成了光学信息处理的内容v集成光学集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学源于将集成电路的概念和方法引入光学领域；领域；整理课件v非线性光学非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介质已不源于高强度

6、激光的出现、它研究当介质已不满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频,混混频频,自聚焦等自聚焦等;v对光导纤维的研究形成了对光导纤维的研究形成了光纤光学或导波光学光纤光学或导波光学;v导波光学导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅速发展和应用速发展和应用,成为人类在成为人类在20世纪最重要的科技成就世纪最重要的科技成就;v非线性光学非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术的结合信息光学及集成光学等理论与技术的结合可能会导致新一代计算机可能会导致新一代计算机光计算机的诞生光计算机的诞生.2. 物理光

7、学的应用物理光学的应用测控，通信，医疗，信息处理，光学设计。测控，通信，医疗，信息处理，光学设计。3. 波粒二相性波粒二相性整理课件第一章第一章 光波的基本性质光波的基本性质1.1 光的电磁理论基础光的电磁理论基础 光的电磁理论的提出是人们在电磁学方面已有了深入研究的结果。1864年麦克斯韦把电磁规律总结为麦克斯韦方程组，建立起完整的经典电磁理论，同时指出光也是一种电磁波，从而产生了光的电磁理论。到目前为止，它仍然是阐明大多数光学现象以及掌握现代光学的一个重要基础。整理课件1. 麦克斯韦方程组和物质方程麦克斯韦方程组和物质方程1). 积分形式的麦克斯韦方程组积分形式的麦克斯韦方程组sdldEA

8、tBCVAdvsdD0AsdBsdJldHAtDC)(整理课件2). 微分形式的麦克斯韦方程组微分形式的麦克斯韦方程组tBED0BtDJH 由麦克斯韦方程组可由麦克斯韦方程组可知：不仅电荷和电流是知：不仅电荷和电流是产生电磁场的源，而且产生电磁场的源，而且时变电场和时变磁场互时变电场和时变磁场互相激励，因此，时变电相激励，因此，时变电场和时变磁场构成了不场和时变磁场构成了不可分割的统一整体可分割的统一整体电磁场。电磁场。整理课件2. 物质方程物质方程EDBHEJ式中，式中， 为介电常数，描述为介电常数，描述媒质的电学性质，媒质的电学性质， 是真空中介电是真空中介电常数，常数， 是相对介电常数是

9、相对介电常数; 为为介质磁导率，描述媒质的磁学性质，介质磁导率，描述媒质的磁学性质， 是真空中磁导率是真空中磁导率 ， 是相对磁导率；是相对磁导率；为电导率，描述为电导率，描述媒质的导电特性媒质的导电特性, 真空中真空中0。0r0112108542.8Fmrr00)104(17Hmr整理课件3. 电磁场的波动性电磁场的波动性 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，描述了电磁现象的变化规律，指出随时间变化的电场将在周围空间产生变化的指出随时间变化的电场将在周围空间产生变化的磁场，随时间变化的磁场将在周围空间产生变化磁场，随时间变化的磁场将在周围空间产生变化的电场，的电场，变化的电

10、场和磁场之间相互联系，相互变化的电场和磁场之间相互联系，相互激发，并且以一定速度向周围空间传播。激发，并且以一定速度向周围空间传播。因此，因此，时变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播时变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播的电磁波。的电磁波。整理课件讨论无限扩展的均匀、各向同性、透明、无源的媒质讨论无限扩展的均匀、各向同性、透明、无源的媒质tBE0E0BtEB整理课件将上页第二式两端对时间求导并交换左端的求导次序，得：将上页第二式两端对时间求导并交换左端的求导次序，得：22tEtB将上页第一式代入上式，并考虑到：将上页第一式代入上式，并考虑到：EEE2)()(得到：得到：222tEE整理

11、课件注释：注释：cbabcacba)()()(同理可得：同理可得： 0222tHH一维情况下：一维情况下：2222tEzE整理课件若令若令 ：1可将以上两式变化为：可将以上两式变化为： 010122222222tHHtEE此即为交变电磁场所满足的典型的波动方程，它说明了交变电此即为交变电磁场所满足的典型的波动方程，它说明了交变电场和磁场是以速度场和磁场是以速度v传播的电磁波动。由此可得光电磁波在真空传播的电磁波动。由此可得光电磁波在真空中的传播速度为中的传播速度为 ：smc/1092997. 21800整理课件为表征光在介质中传播的快慢，为表征光在介质中传播的快慢， 引入折射率：引入折射率：

12、rrcn除铁磁性介质外，大多数介质的磁性都很弱，可以认为除铁磁性介质外，大多数介质的磁性都很弱，可以认为r1。 因此，因此， 折射率可表示为折射率可表示为 rn此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质，此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质，r或或n都是频率的函数，都是频率的函数， 具体的函数关系取决于介质的结构。具体的函数关系取决于介质的结构。 整理课件 电磁波谱电磁波谱 自从自从19世纪人们证实了光是一种电磁波后，又经过世纪人们证实了光是一种电磁波后，又经过大量的实验，进一步证实了大量的实验，进一步证实了X射线、射线、射线也都是电磁射线也都是电磁波。它们的电磁特性相同，只是频率波。它们的电磁特性相同

13、，只是频率(或波长或波长)不同而不同而已。如果按其频率已。如果按其频率(或波长或波长)的次序排列成谱，称为电的次序排列成谱，称为电磁波谱，如表磁波谱，如表1-1所示。通常所说的光学区域所示。通常所说的光学区域(或光学或光学频谱频谱)包括红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极包括红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高高(10121016Hz)，数值很大，使用起来很不方便，数值很大，使用起来很不方便， 所所以采用波长表征，光谱区域的波长范围约从以采用波长表征，光谱区域的波长范围约从1 mm到到10 nm。 人们习惯上将红外线、可见光和紫外线又细分人们习惯上将红外线、可见光和紫外线又细分为：为：

14、整理课件红外线红外线(1 mm0.76 m) 远红外远红外 1 mm20 m中红外中红外 20 m1.5 m 近红外近红外 1.5 m0.76 m 可见光可见光(760 nm380 nm) 红红 色色 760 nm650 nm 橙橙 色色 650 nm590 nm 黄黄 色色 590 nm570 nm绿绿 色色 570 nm490 nm青青 色色 490 nm460 nm蓝蓝 色色 460 nm430 nm紫紫 色色 430 nm380 nm 紫外线紫外线(400 nm10 nm) 近紫外近紫外 380 nm300 nm中紫外中紫外 300 nm200 nm真空紫外真空紫外 200 nm10

15、nm 整理课件整理课件1.2 平面电磁波平面电磁波波动方程波动方程1.8或或1.9的解可以是多种多样的。它的解由边界条件和初的解可以是多种多样的。它的解由边界条件和初始条件决定。这其中最重要的是始条件决定。这其中最重要的是平面简谐波平面简谐波和和球面简谐波球面简谐波。波面波面：波传播时，任何时刻振动位相总是相同的点所构成的面。：波传播时，任何时刻振动位相总是相同的点所构成的面。先看几个定义：先看几个定义：波面形状为平面的光波称为波面形状为平面的光波称为平面波平面波。空间各点都以同一频率作正弦或余弦振动的平面波叫做空间各点都以同一频率作正弦或余弦振动的平面波叫做时谐平时谐平面波，或称平面简谐波面

16、波，或称平面简谐波。简谐波可称为单色波。简谐波可称为单色波。整理课件1.2.2 平面简谐波（一维情形）平面简谐波（一维情形）一维简谐波波函数可表示为：一维简谐波波函数可表示为：02()cos()E zvtAzt（1） 空间参量空间参量空间周期空间周期波长波长空间频率空间频率f1f空间角频率空间角频率k/22fk空间角频率空间角频率k又称为波数。又称为波数。整理课件（2） 时间参量时间参量时间周期时间周期TT时间频率时间频率T1时间角频率时间角频率T22（3） 时间参量和空间参量之间的关系时间参量和空间参量之间的关系 时间参量和空间参量通过速度时间参量和空间参量通过速度v相联系，它们之间相联系，

17、它们之间的关系是：的关系是：k整理课件（4） 简谐波的相位和相速度简谐波的相位和相速度0)(2tz0tkz对上式两边微分一下：对上式两边微分一下：)(2dtdzd令：令：0d可以得到光波的相速度：可以得到光波的相速度：0ddtdz整理课件1.2.3 一般坐标系下的波函数（三维情形）一般坐标系下的波函数（三维情形）三维空间中的点用位矢来三维空间中的点用位矢来 表示：表示：rkzj yi xr222tEE方程的解形式可为：方程的解形式可为：( , , , )()xyzE x y z tE k xk yk zt其中：其中：kkjkikkzyx注释：平面波就是指注释：平面波就是指等相位面是平面的波。等

18、相位面是平面的波。同样也可以定义球面同样也可以定义球面波、柱面波等等。波、柱面波等等。整理课件称为称为波矢波矢。k引入波矢的概念后，三维波函数可简写为：引入波矢的概念后，三维波函数可简写为：( , )()E r tE k rt 0( , )cos()E r tAk rt 对于三维对于三维简谐简谐波，可写成正弦或余弦的形式：波，可写成正弦或余弦的形式：和一维简谐波相比较，由于只是空间不同，所以波函数的和一维简谐波相比较，由于只是空间不同，所以波函数的时间参量不变，但是空间参量需要进一步明确。时间参量不变，但是空间参量需要进一步明确。整理课件1. 空间周期：空间周期：Oxyzk02020Ob方向的

19、空间周期为：方向的空间周期为：bcossT整理课件在三个坐标轴方向上方向的空间周期为：在三个坐标轴方向上方向的空间周期为：cosxTcosyTcoszT,分别是波矢分别是波矢K和三个坐标轴的夹角。和三个坐标轴的夹角。2. 空间频率：空间频率：三维简谐平面波的空间频率仍然定义为三维简谐平面波的空间频率仍然定义为空间周期的倒数空间周期的倒数。1ff f 固有空间频率。固有空间频率。整理课件和一维情况下不同，空间频率与观察方向有关，在和一维情况下不同，空间频率与观察方向有关，在Ob方向方向上的空间频率为：上的空间频率为：cos)(1)(sTf在三个坐标轴方向上方向的空间频率为：在三个坐标轴方向上方向

20、的空间频率为：cosxfcosyfcoszfzyxfff,又称为三维简谐波固有空间频率又称为三维简谐波固有空间频率 f f 的坐标轴分量。的坐标轴分量。222221ffffzyx整理课件光波的空间频率分量反映了波的传播方向，光波的空间频率分量反映了波的传播方向，所以可以根据光的波长和空间频率分量写出所以可以根据光的波长和空间频率分量写出波函数：波函数：( , )cos2 ()xyzE r tAf xf yf zt令令z0，就可以得到光波在（，就可以得到光波在（x,y）平面的分布：）平面的分布：( , , )cos2 ()xyE x y tAf xf yt整理课件1.2.4 简谐波的复指数表示与

21、复振幅简谐波的复指数表示与复振幅 根据欧拉公式：根据欧拉公式：cossinixexix 其中：其中：21i 将一维简谐波波函数表示为复指数取实部的形式：将一维简谐波波函数表示为复指数取实部的形式：00( , )cos()Reexp ()E z tAkztAi kzt在不引起误解的情况下，可省去取实函数符号在不引起误解的情况下，可省去取实函数符号“Re”，0( , )exp ()E z tAi kzt整理课件复指数表示法的优越性：复指数表示法的优越性： 可以分离波函数中的可以分离波函数中的空间位相因子空间位相因子和和时间位相因子时间位相因子。0( , )exp ()E z tAi kzt0( ,

22、 )exp ()exp()E z tAi kzi t( )exp()E zi t其中的其中的0( )exp ()E zAi kz称为复振幅。称为复振幅。对于单色波照明的情形，空间任意点的光振动的频率都相同，对于单色波照明的情形，空间任意点的光振动的频率都相同，差别仅仅是由于空间差异而引入的位相差。因此，这样我们就差别仅仅是由于空间差异而引入的位相差。因此，这样我们就略去处处相同的时间位相因子，而只用复振幅表示光场。略去处处相同的时间位相因子，而只用复振幅表示光场。 可以简化运算。可以简化运算。整理课件三维简谐波的复指数表示三维简谐波的复指数表示0( , )exp ()E r tAi k rt

23、复振幅：复振幅：0( )exp ()E rAi k r 下面讨论一下平面简谐波投射在一个平面上，这个平面上的下面讨论一下平面简谐波投射在一个平面上，这个平面上的光场分布。光场分布。xzOk波矢波矢k的方向余弦为的方向余弦为cos ,0,cos在在z=0（XOY）平面上光场复振幅：）平面上光场复振幅：( )exp(cos )E rAikx这表明，这表明，z=0平面上任意两点的位相差仅平面上任意两点的位相差仅仅由仅由xx来决定。来决定。整理课件如图所示：如图所示：xzOk02-2-44xyO-220可以利用复振幅方便地求光强度，可以利用复振幅方便地求光强度，2*( )( )IAE rE r此公式也适用于非单色光。此公式也适用于非单色光。整理课件共轭光波，共轭光波，也就是与原复振幅共轭的复振幅所描述的光波。也就是与原复振幅共轭的复振幅所描述的光波。以图以图1.5的情形为例，的情