第1章 光的电磁理论anew

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1、第1章光的电磁理论前言•光的电磁理论描述了光的传播特性。•本章基于光的电磁理论，介绍光波的基本特性、光在各向同性介质中的传播特性、光在介质分界面上的反射和折射特性，以及光波的数学描述。第1章光的电磁理论1.1电磁波谱电磁场基本方程1.2光波在各向同性介质中的传播1.3光波的偏振特性1.4光波在介质界面上的反射和折射1.5光波场的频率谱1.6球面光波与柱面光波11.1电磁波谱电磁场基本方程1.1.1电磁波谱–电磁波按其频率或波长排列构成波谱，它覆盖了从γ射线到无线电波的一个相当广阔的频率范围。1.1.1电磁波谱光是特定波段的电磁波–真空

2、中的波长范围约为390∼760nm(注意相对性)，相应的频率范围约为8×1014∼4×1014Hz。–不同波段的电磁波的产生机制、特征和应用范围各不相同。光源中的原子或分子从高能级向低能级跃迁时发出光波，在各种加速器中被加速的电子也能辐射光波。21.1.1电磁波谱虽然光波在整个电磁波谱中仅占有很窄的波段，它却对人类的生存、人类生活的进程和发展，有着巨大的作用和影响，还由于光在发射、传播和接收方面具有独特的性质，以致很久以来光学作为物理学的一个主要分支一直持续地发展着，尤其是激光问世后，光学领域获得了突飞猛进地发展。1.1.2电磁场基本

3、方程1.Maxwell’sequationsgd∇⋅=Dρ－高斯定理，静止电荷产生的是无旋场gd∇⋅=B0－磁场为无源场ghgh∂B∇×E=−－变化磁场产生电场∂tghgghgd∂D∇×HJ=+－变化的电场产生磁场∂t式中E、D、B、H分别表示电场强度、电感应强度(电位移矢量)、磁感应强度、磁场强度，ρ是电荷体密度，J是电流密度。31.1.2电磁场基本方程由麦克斯韦方程组可知：不仅电荷和电流是产生电磁场的源，而且时变电场和时变磁场互相激励，因此，时变电场和时变磁场构成了不可分割的统一整体——电磁场。适用条件：微分形式的方程组只在介质中

4、物理性质连续的区域成立，在不连续的界面，应该用积分形式的方程组。1.1.2电磁场基本方程ò积分形式:∫D•dS=∫ρdVSV∫B•dS=0S∂B∫E•dl=−∫•dSCS∂t⎛∂D⎞∫H•dl=−∫⎜J+⎟•dSCS⎝∂t⎠41.1.2电磁场基本方程2.MaterialEquations介质特性对电磁场量影响一般均匀各向同性ghghDE=εε(,,)xyzconst.ghgghBH=μμ(xyz,,)const.ghghIV1JE=σ()=⋅→VI=RSLρ1.1.2电磁场基本方程ghghghgghghghDEBH===εμσJE式中

5、，ε＝ε0εr为介电常数，描述介质的电学性质，ε是真空中介电常数（8.8542×10-12Fm-1），ε是0r相对介电常数;μ＝μ0μr为介质磁导率，描述介质的磁学性质，μ是真空中磁导率（4π×10-7Hm-1），0μr是相对磁导率；σ为电导率，描述介质的导电特性,真空中σ＝0。51.1.2电磁场基本方程3.边界条件:由积分形式的麦克斯韦方程组可导出时变电磁场在两介质分界面上边界条件dddn⋅(D1−D2)=ρsdddn⋅(B1−B2)=0dddn×(E1−E2)=0ddddn×(H1−H2)=Jsd式中，为在分界面上由第二介质指向第

6、一介质的nd单位法向矢量，ρs为分界面上面电荷密度，为分Js界面上面电流密度。1.1.2电磁场基本方程d在光学中，常见的界面J＝0，ρs＝0,s其边界条件为dddn⋅(D1−D2)=0dddn⋅(B1−B2)=0dddn×(E1−E2)=0dddn×(H1−H2)=0ddddH和E的切向分量以及B和D的法向分量连续6人物传记－麦克斯韦麦克斯韦（JamesClerkMaxwell(1831-1879))英国物理学家。1873年，麦克斯韦完成巨著《电磁学通论》，具有划时代的意义。麦克斯韦在分子运动理论方面的功绩也是不可磨灭的，他运用数学统

7、计的方法导出了分子运动的麦克斯韦速度分布律。麦克斯韦还研究过土星的光环和视觉理论，创立了定量色度学。1879年11月5日，麦克斯韦因癌症不治去世，终年49岁。他的理论为近代科学技术开辟了崭新的道路，可是他的功绩生前却未得到重视。直到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在后，人们才意识到他是自牛顿以来最伟大的理论物理学家。1.1.2电磁场基本方程4.能流密度：Poynting矢量dddS=E×HdS的大小表示在任一点处垂直于传播方向上的单d位面积上、在单位时间内流过的能量。S的方向就是该点处电磁波能量流动的方向。dddS=E×hhhhhh

8、hhhH的证明思路:利用abccabbac⋅×=⋅×−⋅×()()()ghgghgghghghggh∇⋅×()()()EHH=⋅∇×EE−⋅∇×H71.1.2电磁场基本方程5.光强—S的时间平均值由于光的频率太高,在实际