chap3光波的基本性质ppt课件

1、第二章第二章 光波的基本性质光波的基本性质 几何光学和波动光学是经典光学的两个组成部分，几何光学从光的几个基本定律出发，讨论成像等特殊的光传播问题所用的是几何的方法，不涉及光的本性但是要真正了解光波场中发生的许许多多绚 丽多彩的景象，必须研究光的波动本性任何发光物体，都可以称作光源任何发光物体，都可以称作光源.普通光源：普通光源： 太阳太阳 火焰火焰 各种照明灯等各种照明灯等强光光源：强光光源： 激光激光2.1 光源、光波波长光源、光波波长 和光谱和光谱 光是一种电磁辐射，按能量供给的方式不同，发光可分为两大类：（1） 热辐射；热辐射；（2） 光发射：光发射： 电致发光电致发光 场致发光场致发

2、光 化学发光化学发光 光致发光光致发光 (400700)nm的窄小范围各种波长的电磁波中，能为人所感受的是各种波长的电磁波中，能为人所感受的是这波段内电磁波叫可见光，在可见光范围内，这波段内电磁波叫可见光，在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉对应的频率范围是对应的频率范围是 = （7.6 4.0）1014 HZ 760 630 600 570 500 450 430 400(nm) 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 光在介质中的速度为光在介质中的速度为.)(210rrov.rn定义光在介质中的折射率为定义光在介质中的折射率为,vcn 因而因而.)(

3、21rrvcn, 1r有有光学材料是非铁磁质光学材料是非铁磁质, 光波的基本概念光波的基本概念光是极高频率的电磁波，是横波光是极高频率的电磁波，是横波.光在真空中的速度为光在真空中的速度为.)(2100c 真空中的光没有色散，上式既是光在真空中的相速，又是光在真空中的群速.现代公认的光在真空中速度最准确的值是：./) 1 . 110997924562. 2(8秒米c 真空中的光速是物理学中的基本常数之一，它是一切有质量的物体运动速度极限. 光波由真空进入介质波长变短若某单色光波在真空中的波长为 0 ，进入折射率为 n 的透明没有吸收介质中，波长变为 = 0/n ,但频率不变因此没有颜色的变化

4、在电磁波谱中与可见光相接的，短波一端是紫外线(4005nm)，长波一端是红外线 (760nm 十分之几毫米）有时讨论问题时，常常把这两个波段的电磁辐射包裹在内单一波长的光叫单色光，单一波长的光叫单色光， 否则叫非单色光否则叫非单色光令令dI 代表光波在代表光波在 至至 d 之间的光的强度，之间的光的强度，ddIi)(代表单位波长间隔的光强，非单色代表单位波长间隔的光强，非单色光的光强按波长的分布叫做光谱光的光强按波长的分布叫做光谱)(i叫做谱密度叫做谱密度光源发出的总光强为光源发出的总光强为00.)()(didII热辐射发射的是连续光谱热辐射发射的是连续光谱.ddIddI123一些气体如金属蒸

5、汽放电发出的是线光谱一些气体如金属蒸汽放电发出的是线光谱.不同的化学不同的化学成分到都有自己的特征谱线成分到都有自己的特征谱线.每一条谱线只是近似的单色光，每一条谱线只是近似的单色光，都有一定的宽度都有一定的宽度 ，越小，单色性越越小，单色性越 好好.2-2 单色光波及其描述单色光波及其描述（1） 波场中各点的光振动是同频率的简谐振动波场中各点的光振动是同频率的简谐振动频率与振源频率同）频率与振源频率同）.（2） 波场中各点光振动波场中各点光振动 的振幅不随时间变化，的振幅不随时间变化，在空间形成稳定的振幅分布在空间形成稳定的振幅分布. 严格的定态光波严格的定态光波 场场 对应无限长的波对应无

6、限长的波 列单色光列单色光波）波）.实际光源发光，波列不是无限长实际光源发光，波列不是无限长.但是，只要光但是，只要光源原子发光持续时间比光振动周期大得多，都可以源原子发光持续时间比光振动周期大得多，都可以当作单色当作单色 光波来处理，其对应的波场，可视为定态光波来处理，其对应的波场，可视为定态光波场光波场.（3初始位相的空间分布与时间无关 平面电磁波 麦克斯韦方程组所描述的电磁波可以转化为麦克斯韦方程组所描述的电磁波可以转化为一个二阶偏微分方程。一个二阶偏微分方程。 要决定解的具体形式，必须根据要决定解的具体形式，必须根据 满足满足的边界条件和初始条件求解方程。的边界条件和初始条件求解方程。

7、 由于其是一个三维波，平面波是三维波的的由于其是一个三维波，平面波是三维波的的一种基本形式，故通过它来讨论电磁波的基一种基本形式，故通过它来讨论电磁波的基本性质是合理的、方便的。本性质是合理的、方便的。 BE, 电磁波的波动微分方程表明：电磁波是电磁波的波动微分方程表明：电磁波是一种矢量波，将其写成分量形式后，容一种矢量波，将其写成分量形式后，容易发现易发现 的每一个分量都满足同一形式的每一个分量都满足同一形式的波动微分方程如：的波动微分方程如： 即在均匀各向同性介质中，即在均匀各向同性介质中， 只要研究典只要研究典型的标量波动微分方程，就可以得到各型的标量波动微分方程，就可以得到各分量随时间

8、和空间的变化规律。分量随时间和空间的变化规律。 BE,2x2x2tEE 注意：各分量大小一般并不相等，这与初始注意：各分量大小一般并不相等，这与初始条件和边界条件有关。条件和边界条件有关。 由上式还知，电磁波各分量的传播速度是由上式还知，电磁波各分量的传播速度是 显然它是一个物质常数，并可能存在色散。显然它是一个物质常数，并可能存在色散。 1v电矢量 磁矢量 光的传播方向 EHrkHE1、2、对人眼和感光仪器起作用的是 ，光波中的振动 矢量通常指E 。EB与 同位相EEHko即相互垂直3、0000EHEcB介质中真空中二、平面单色波与球面单色波的物理描述 0e0mOOzEcostvzBcost

9、vE,BEB式 中是 一 个 常 数 ，是 常 矢 量沿Z轴正方向传播的平面简谐电磁波 沿任意方向传播的平面单色光波),cos(0rkEE0t球面波 除平面波外，球面波也是常见的波。在光学中他由点光源产生。一 、球面波的波函数:球面波：点状振动源的振动向周围空间均匀的传播形成球面波。 从对称性考虑，球面波的等相面是球面，并且其上的振幅处处相等。 当考察点远离振动源，等相面的曲率半径逐渐增大，最后接近于平面。所以，平面波是球面波的一种特殊形式 假定圆点振动的初位相为零，对于电矢量假定圆点振动的初位相为零，对于电矢量此时可看作标量即此时可看作标量即0=0 0=0 则有：则有： 可以看出，球面波的振

10、幅不再是常量，它可以看出，球面波的振幅不再是常量，它与离开波源的距离与离开波源的距离r r成反比，成反比， 其等相面为：其等相面为：r=r=常数的球面。常数的球面。 ocos()AEtkrr,)()(0rk0EEtieP或或tiiee)(00rkEE.)(tieP E式中式中,)()()(00rkEEiepP称为复振幅表示了相位的空间分布复振幅称为复振幅表示了相位的空间分布复振幅同时包含了振幅和相位两个信息同时包含了振幅和相位两个信息.模模E0(P) 描描述了振幅的空间分布，指数则描述述了振幅的空间分布，指数则描述了相位的空间分布了相位的空间分布)(0rki4. 复振幅复振幅 简谐波可以用复数

11、表示简谐波可以用复数表示.二、平面波、球面波的复振幅二、平面波、球面波的复振幅 ：称称 平面平面简谐波的复振幅简谐波的复振幅称称 为球面简谐波的复振幅，为球面简谐波的复振幅，并简单的以它代表一个球面简谐波并简单的以它代表一个球面简谐波 。简谐球面波的参量特点：简谐球面波的参量特点：1. 振幅：振幅：Ao/r不是一个常量，它随不是一个常量，它随r 增加而减小；但在增加而减小；但在r相同的相同的球面上，振幅是均匀的。球面上，振幅是均匀的。A0是一个常量，代表是一个常量，代表r=1处的振幅，处的振幅，表征振动源的强弱，称为源强度。表征振动源的强弱，称为源强度。oeikrAEr00coscoscos0

12、0i k rk xyziEE eE e 2. 位相：球面波的位相是即仅仅是r的函数，并指出了v的含义 说明：v是沿球面径向的位相传播速率。当等相面自球心向外传播时v0,称为发散球面波，当等相面向球心会聚时v0，称为会聚球面波。0krvk tdtdrd0v四、光强、光强的复振幅表示四、光强、光强的复振幅表示有电磁理论，电磁波的能流密度矢量波印有电磁理论，电磁波的能流密度矢量波印廷矢量为廷矢量为.HES电磁波中电磁波中EH，,00HErr因此能流密度的瞬时值为因此能流密度的瞬时值为.200ESrrHE因为因为,rn,100c故故.20nEcS 我们检测光波的存在和强弱，是通过光和物质的相互作用但是

13、，任何检测器件都有一定的响应时间，都不能检测电磁波能流密度的瞬时值，只能检测其在响应时间内的平均值可见光振动周期可见光振动周期T10-14秒，人眼响应秒，人眼响应时间时间10-1秒，灵敏的光检测器响应秒，灵敏的光检测器响应时间时间10-9秒秒因此我们定义光的强度简称光强为因此我们定义光的强度简称光强为平均能流密度平均能流密度002011TdtnEcTSdtI式中式中),cos(00rktEETEdtET1202,211代入上式得代入上式得.21200nEcI不同介质中两光波相不同介质中两光波相 比较，比较，.20nEI 由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分由于许多场合下，我们只讨论光强的相对

14、分布，因此令光强等于振幅的平方，即布，因此令光强等于振幅的平方，即.20EI .)()(PEPEI上式中相位因子抵消，它不进入强度上式中相位因子抵消，它不进入强度 I 的的表达式表达式上式定义的光强称为相对光强用复振幅表示上式定义的光强称为相对光强用复振幅表示同一种介质中两光波强度相比较，同一种介质中两光波强度相比较， ,20EI 五、光波的图像描述，波前的概念对定态光波而言，波前泛指波场中的任一曲面，更多的是指一平面。波阵面和波射线波阵面和波射线平面波平面波球面波球面波波波线线波波阵阵面面波波阵阵面面波波线线1、在各向同性介质中传播时，波线和波阵面垂直。、在各向同性介质中传播时，波线和波阵面

15、垂直。注：注：2、在远离波源的球面波波面上的任何一个小部份，、在远离波源的球面波波面上的任何一个小部份，都可视为平面波。都可视为平面波。光波光波 的独立传播定律的独立传播定律 当两列光波在空间当两列光波在空间相遇，它们的传播互不干扰，好象其他光波相遇，它们的传播互不干扰，好象其他光波不存在一样，各自携带各自的信息传播方不存在一样，各自携带各自的信息传播方向，振动方向，波长，周期等独立行进向，振动方向，波长，周期等独立行进.光波的线性叠加原理光波的线性叠加原理 当两列波或多列当两列波或多列波同时存在时，在他们的交叠区内，每点波同时存在时，在他们的交叠区内，每点的光振动，是各列波单独存在时在该点产

16、生的光振动，是各列波单独存在时在该点产生的光振动的合成。用数学式表示的光振动的合成。用数学式表示.21nnEEEE光波的线性叠加的条件是：光波的线性叠加的条件是： (1线性媒质，（线性媒质，（2非强光光源非强光光源. 复振幅法设有N个振动方向、频率相同的单色光波在空间相遇第i列光波可表示为：矢量图解法： ox1E2EE12 011,1022,2coscosp tppp tppEEtEEt0( , )2cos()cos()22E z tEkzt2kzm1()22kzm2zzk2zzkz/223/205/2n2n1n2y1011E cos(tk z)E2022E cos()Etk z 1201122E cos() cos()EEEtk ztk z012121212112E cos ()()cos ()() 22Ekk ztkk zt