天津大学工程光学光的电磁理论学习教案

1、天津大学天津大学 工程光学工程光学 光的电磁光的电磁(dinc)理论理论第一页，共44页。第1页/共44页第二页，共44页。第2页/共44页第三页，共44页。第3页/共44页第四页，共44页。第4页/共44页第五页，共44页。第5页/共44页第六页，共44页。第6页/共44页第七页，共44页。第7页/共44页第八页，共44页。过去(guq)2000年最伟大的发明100个第8页/共44页第九页，共44页。第9页/共44页第十页，共44页。左：牛顿(ni dn)环上：肥皂泡第10页/共44页第十一页，共44页。白光的单缝衍射第11页/共44页第十二页，共44页。第12页/共44页第十三页，共44页

2、。第13页/共44页第十四页，共44页。惠更斯原理(yunl)（惠更斯作图法）波阵面上的每一点可以认为是产生球面子波的一个次级扰动中心，而以后任何时刻的波阵面则可看作(kn zu)是这些次级子波的包络 第14页/共44页第十五页，共44页。惠更斯作图法折射(zhsh)第15页/共44页第十六页，共44页。第16页/共44页第十七页，共44页。ttDjHBEBD0第17页/共44页第十八页，共44页。第18页/共44页第十九页，共44页。第19页/共44页第二十页，共44页。第20页/共44页第二十一页，共44页。高斯定理：llSSIdddQdlHlEsBsD00：磁场强度：电场强度：磁感强度：

3、电感强度HEBD一、麦克斯韦(mi k s wi)方程组1、静电场和稳恒电流磁场的基本规律安培环路(hun l)定律磁场是无源场静电场是无旋场第21页/共44页第二十二页，共44页。高斯定理(dngl)：法拉第定理(dngl)：sDlHsBlE0sBsDdtIddtdtdddQdllSS后两个公式(gngsh)反映了磁场和电场之间的相互作用。D：电感强度B：磁感强度E：电场强度H：磁场强度：磁通量变化的磁场产生(chnshng)涡旋电场变化的电场产生涡旋磁场位移电流电场的变化传导电流电荷的流动2、麦克斯韦方程组的积分形式第22页/共44页第二十三页，共44页。微分形式：微分形式：揭示了电流、电

4、场、磁场相互(xingh)激励的性质：位移电流密度。导电流密度；：积分闭合回路上的传度；：封闭曲面内的电荷密t DjttDjHBEBD0第23页/共44页第二十四页，共44页。二、物质方程（描述二、物质方程（描述(mio sh)物质在场作用下特物质在场作用下特性的方程）性的方程）HBEDEj欧姆定律：电导率介电常数磁导率电磁场所在(suzi)物质的性质基本物理量麦克斯韦(mi k s wi)方程组物质方程描述时变场情况下电磁场普遍规律第24页/共44页第二十五页，共44页。三、电磁场的波动性三、电磁场的波动性（一）、电磁场的传播（一）、电磁场的传播(chunb)随时间变化的电场(din chn

5、g)在周围空间产生一个涡旋磁场随时间(shjin)变化的磁场在周围空间产生一个涡旋电场互相激发，交替产生，在空间形成统一的场电磁场交变电磁场在空间以一定的速度由近及远地传播电磁波第25页/共44页第二十六页，共44页。ttEBBEBE0000，和电流的区域：对于电磁场中不含电荷j0222EEEEEBEtt0BB0EE222222tt结果：（二）、电磁场波动（二）、电磁场波动(bdng)方程方程表明电场和磁场是以波动形式(xngsh)进行的第26页/共44页第二十七页，共44页。0BB0EE222222tt结果：smcv/ 1099794. 211800真空中光速：电磁波的传播速度：00 rrr

6、r;和相对磁导率引入相对介电常数rrrrvcncv 和电磁波的折射率：电磁波的速度：有（三）、电磁波（三）、电磁波第27页/共44页第二十八页，共44页。可见光区第28页/共44页第二十九页，共44页。四、平面四、平面(pngmin)电磁波及其性质电磁波及其性质yxzv平面电磁波是在与传播方向正交的平面上各点电场或磁场具有(jyu)相同值的波 第29页/共44页第三十页，共44页。zzzyx0000zyx0101222222222tvztvEEEE结果：1、方程(fngchng)求解：求解(qi ji)方程得 )()(21tvzftvzfE第30页/共44页第三十一页，共44页。)()()()

7、(tvzftvzfBtvzftvzfE2121为自变量的任意函数。和是以和)()(21tvztvzff轴负向传播。表示沿轴正向传播，表示沿ztvzfztvzf)()(21)()(tvzfBtvzfE11这是行波的表示式，表示源点的振动(zhndng)经过一定的时间推迟才传播到场点。取正向(zhn xin)传播：2、解的意义(yy)：第31页/共44页第三十二页，共44页。（二）平面(pngmin)简谐电磁波的波动公式)(cos)(costvzABtvzAE ：角频率：磁场振幅矢量：电场振幅矢量 AA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(zhndng)状态。称为位相 )

8、(tvz第32页/共44页第三十三页，共44页。等相面或波面某一时刻(shk)位相为常数的位置的轨迹波矢量k平面(pngmin)波的等相面是平面(pngmin)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/2第33页/共44页第三十四页，共44页。)cos()(costkzAETtzAE 2波动(bdng)公式：上式是一个具有单一(dny)频率、在时间和空间上无限延伸的波。ckkvkncTvTT/2/2/,/220000空间角频率：波数：波长：振动频率第34页/共44页第三十五页，共44页。kP(x,y,z)xyzros=r ktzyxkAEtAEcoscoscoscos)c

9、os(rk沿空间任一方向(fngxing)k传播的平面波)(exptiAErk平面波的复数形式：) rkexp(iAE复振幅：复振幅(zhnf)：只关心光波在空间的分布。第35页/共44页第三十六页，共44页。（三）平面(pngmin)电磁波的性质1、横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直(chuzh)波的传播方向。2、E、B、k互成右手(yushu)螺旋系。)()(100EkEkBv3、E和B同相同相vBE 1第36页/共44页第三十七页，共44页。五、球面波和柱面波五、球面波和柱面波1、球面波 rkrk)(exptkrirAE )exp(),exp(ikrrAEikrrAE会聚的球面波：发散

10、的球面波：球面波的等相面是r常量(chngling)的球面第37页/共44页第三十八页，共44页。)(exptkrirAE )exp(),exp(ikrrAEikrrAE会聚的柱面波：发散的柱面波：2、柱面波 柱面波的等相面是r常量(chngling)的柱面第38页/共44页第三十九页，共44页。六、光波六、光波(gungb)的辐射的辐射（一）电偶极子辐射(fsh)模型原子(yunz)受激运动 - 等效电偶极子振动发射电磁波第39页/共44页第四十页，共44页。（二）辐射能辐射强度矢量(shling)或坡印亭矢量(shling)EBEBES1)1(2222电磁波的传播过程伴随着能量在空间(kn

11、gjin)的传递 用于描述(mio sh)电磁能量的传播 S方向表示能量流动的方向 其大小表示单位时间垂直通过单位面积的能量 BES1S与E和B互相垂直，组成右手螺旋系第40页/共44页第四十一页，共44页。 SI光强度(qingd)：单位时间内，在垂直能流方向的单位面积上通过的能量的时间平均值。平面波：2022021)(cos11AvdttkrTAvSdtTSITT只考察相对(xingdu)光强时可直接用2AI 第41页/共44页第四十二页，共44页。（三）实际(shj)光波实际光波的波列形式存在非单一(dny)频率的简谐波由一段段有限长波(chngb)列组成波列长度取决于原子两次碰撞的时间间隔10-9s实际光波无偏振性波列的振动方向和相位的无规则性，光源由无数独立原子组成观测者在一个较长观测时间观测者在一个较长观测时间T