物理光学简明教程[梁铨廷]PPT.

1、1.3 1.3 光源和光的辐射光源和光的辐射1.3.1 光源光源太阳光谱太阳光谱连续光谱：热光源，如太阳、白炽灯线状光谱：气体放电光源，如钠灯、汞灯激光 光光是一种电是一种电磁波，光源发光是物体辐射电磁波的过程。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、电子所组物体微观上可认为由大量分子、原子、电子所组成，大成，大部部分物体发光属于原子发光类型。分物体发光属于原子发光类型。光波是由光源辐射出来的，任何一种发光的物体都称为光源光源1.3.2光光辐射辐射的经典的经典模型模型 经典电磁理论把经典电磁理论把原子发光原子发光看成是看成是原子内部过程形成的原子内部过程形成的电

2、偶极子的辐射电偶极子的辐射。 在外界能量的激发下，原子中电子和原子核不停运动，在外界能量的激发下，原子中电子和原子核不停运动，以致原子的以致原子的正电中心正电中心（原子核）和（原子核）和负电中心负电中心（高速回转电（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。振荡电偶极个振荡的电偶极子。振荡电偶极子不断地向外辐射，在子不断地向外辐射，在周周围空间产生交变的电磁场，并在空间以一定的速度传播，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。伴随着能量的传递。电偶极子模型电偶极子模型1.电偶极子辐

3、射的电磁场，可由麦克斯韦方程组推导得到电偶极子辐射的电磁场，可由麦克斯韦方程组推导得到：)(exp4sin202tkrirpE)(exp4sin302tkrirpB(1.3.3)(1.3.4)电偶极子辐射球面电磁波电偶极子辐射球面电磁波2.kBE,三者组成右手螺旋系统三者组成右手螺旋系统3. BE和的振动同相的振动同相HE（1.2.13）辐射强度矢量辐射强度矢量 - - 坡印亭矢量坡印亭矢量 （描述电磁能量的传播）（描述电磁能量的传播）S1.3.3 辐射能辐射能对于光波，电场、磁场变化迅速，变化频率在对于光波，电场、磁场变化迅速，变化频率在10101515赫兹左右，赫兹左右， 的值也迅速变化，

4、无法接收的值也迅速变化，无法接收 的瞬时值，只能接收其平均的瞬时值，只能接收其平均值。称辐射强度矢量的时间平均值为值。称辐射强度矢量的时间平均值为光强光强，记为，记为I I。对对于于平面波平面波的情况，有的情况，有ss22002211cos ()1122TTIssdtv Akrt dtTTvAAHES（1.3-5）（1.3-8）在光学许多问题中，需要研究的是同一介质同一介质光场中某个平面上的相对光强分布，因此，略去比例系数，记：2AI （1.3-9）称为相对光强【例例】对对于一束于一束10105 5瓦的激光束，用透镜聚焦到瓦的激光束，用透镜聚焦到1010-6-6cmcm2 2的截面积上，因而的

5、截面积上，因而在透镜焦面上激光束的强度为在透镜焦面上激光束的强度为215105/101010mwImVcIA/1075. 066. 2102292115210 这样强的电场可产生极高的温度，把任何目标烧毁。这样强的电场可产生极高的温度，把任何目标烧毁。 实际光源发出的光波并不是在时间和空间上无限延续的实际光源发出的光波并不是在时间和空间上无限延续的简谐波，而是一些有限长度的衰减振动。是由被称为简谐波，而是一些有限长度的衰减振动。是由被称为波列波列的的光波组成的。光波组成的。 这是由于原子的剧烈运动，彼此间不断碰撞，辐射过程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，因而原子发常常

6、中断，因而原子发光过程常常被中断。光过程常常被中断。 原子每次发光的持续时间是原子两次碰撞的时间间隔，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，大持续时间很短，大约约1010-9-9秒。秒。1.3.4 实际光波实际光波1.间断性间断性 实际光源由大量原子和分子组成实际光源由大量原子和分子组成，这些原子和分子形成，这些原子和分子形成的电偶极子的振动的电偶极子的振动方向杂乱无章，方向杂乱无章， 在观察时间内，每个在观察时间内，每个原子发生多次辐射，每次辐射的振动方向原子发生多次辐射，每次辐射的振动方向和初位相均无和初位相均无规则规则。这样的光称为。这样的光称为自然光自然光。2.

7、无偏振性无偏振性 当电磁波由一种介质传播到另一种介质时，由于介质的当电磁波由一种介质传播到另一种介质时，由于介质的物理性质不同，电磁场在界面上将是不连续的。但分界面物理性质不同，电磁场在界面上将是不连续的。但分界面上的电磁场量具有一定的上的电磁场量具有一定的关系：关系： 在在没有传导电流和自由电荷的介质中没有传导电流和自由电荷的介质中即界面处即界面处E E和和H H的切向分量连续的切向分量连续1.41.4 光在介质界面上的反射和折射光在介质界面上的反射和折射1212()0()0nEEnHH（1.4-1）（1.4-2）1.4.1 反射反射定律定律和折射和折射定律定律112nEEnE把波函数代入，

8、注意到入射波、反射波和折射波频率相等：111200kkrkkr112（1.4-5）得：（1.4-7）（1.4-8）112,k k k 共面因此，1.反射定律反射定律或斯涅耳定律斯涅耳定律11112cos2cosrkrk由式（1.4-7）得：因此：11（1.4-9）同理，由式（1.4-8）得：2211sinsin1122sinsinnn（1.4-10）任一方位振动的光矢量任一方位振动的光矢量E都可以分解成互相垂直的两个分量。都可以分解成互相垂直的两个分量。 对任一光矢量，只要分别讨论两个分量的变化情况就可以了。对任一光矢量，只要分别讨论两个分量的变化情况就可以了。称称平行于入射面振动的分量平行于

9、入射面振动的分量为光矢量的为光矢量的p分量（分量（p波），波），记为记为EP。称称垂直于入射面振动的分量垂直于入射面振动的分量为光矢量的为光矢量的s分量（分量（s波），波），记为记为ES。1.4.2 菲涅耳公式菲涅耳公式菲涅耳公式菲涅耳公式 给出反射波、折射波与入射波的振幅和位相关系反射波、折射波与入射波的振幅和位相关系把 分解为分解为s波和波和p波，波，E规定：1. E E为为 s s波波H为为p波的反射系数和透射系数波的反射系数和透射系数E E、H H矢量在界面处切向矢量在界面处切向连续，连续，假设入射波、反射波和折射波同相，则：112111122coscoscosssspppEEEHHH

10、（1.4-11）（1.4-12）考虑到1BEnr及0srst：S S波的振幅反射系数波的振幅反射系数：S S波的振幅透射系数波的振幅透射系数22112211212111coscoscoscos)sin()sin(nnnnAArsss221111212112coscoscos2)sin(sincos2nnnAAtsss得s波的菲涅尔公式菲涅尔公式：2. .E E为为p p波波, H, H为为s s波的菲涅耳公式波的菲涅耳公式prptP P波的振幅反射系数波的振幅反射系数P P波的振幅透射系数波的振幅透射系数21122112212111coscoscoscos)()(nnnntgtgAArppp2

11、1121121211212coscoscos2)cos()sin(cossin2nnnAAtppp小结小结振幅反射率振幅反射率1112211122coscoscoscossssEnnrEnn振幅透射率振幅透射率211111222coscoscossssEntEnns波波振幅反射率振幅反射率振幅透射率振幅透射率1211212112coscoscoscospppEnnrEnn211121222coscoscospppEntEnnp波波利用关系利用关系1122sinsinnn得菲涅尔公式得菲涅尔公式121212121212121212sin()sin()2cossinsin()tan()tan()2

12、cossinsin()cos()sspprtrt （1.4-13）（1.4-14）（1.4-17）（1.4-18）对于对于 的垂直入射的特殊情况，可得的垂直入射的特殊情况，可得0112nnn 其中相其中相对折对折射率：射率：12111211nAAtnnAArssssss12111211nAAtnnAArpppppp（1.4-19）（1.4-20）（1.4-21）（1.4-22）1.4.3 菲涅耳公式菲涅耳公式的讨论的讨论1. n n n n n 1,pspsrrrr为复数，表示发生表示发生全反射全反射现象现象b)c1不会发生位相跃变1122111tantan0.BBpnnnr 布儒斯特布儒斯特

13、(D.Brewster)角角B全反射临界角全反射临界角c1122111sinsin1ccspnnniirr从从光密到光疏光密到光疏n1n2（4） 反射波、折射波与入反射波、折射波与入射波的能量关系射波的能量关系? ?考虑界面上一单位面积，设考虑界面上一单位面积，设入射波、反射波和折射波的入射波、反射波和折射波的光强分别为光强分别为 通过此通过此面积的光能为面积的光能为 入射波入射波211III、12111111cos21cosAIW1.4.4 反射反射率率和透射和透射率率反射波反射波121111cos21cos11AIW透射波透射波22222222cos21cosAIW界面上反射波、透射波的能

14、流与入射波能流之比为界面上反射波、透射波的能流与入射波能流之比为21111222221111coscosWARWAWnATWnART和 分别称为反射率和透射率（1.4-23）（1.4-24）（1.4-25）当不考虑介质的吸收和散射时，根据能量守恒关系当不考虑介质的吸收和散射时，根据能量守恒关系1RTP P波和波和s s波的反射比和透射比表示式为波的反射比和透射比表示式为2212212222222212211111222122122222222122211111212sin ()sin ()coscos4cossincoscossin ()tan ()tan ()coscos4cossincoscossin ()cos ()ssssppppRrnnTtnnRrnnTtnn（1.4-26）（1.4-27）（1.4-28）（1.4-29）同样有同样有11ssppRTRT若入射光为自然光，若入射光为自然光，可把自然光分成可把自然光分成s波和波和P波，它们的波，它们的能量相等，都等于自然光的一半，因此，能量相等，都等于自然光的一半，因此，反射反射率率为为1()2nspRRR(1.4-30)自