《物理光学》PPT课件

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1、第一章光在各向同性介质中的传输特性19世纪60年代，麦克斯韦建立了经典电磁理论，并把光学现象和电磁现象联系起来，指出光也是一种电磁波，是光频范围内的电磁波，从而产生了光的电磁理论。一、光波的特性<一>、光波与电磁波、麦克斯韦方程组1、电磁波谱什么是电磁波谱？光的电磁理论是描述光学现象的基本理论。光学频谱的波长范围及分类；红外线、可见光和紫外线的波长范围及特点。习惯上把红外线、可见光和紫外线又细分为：证实了光是一种电磁波之后，进一步证实了x射线、γ射线也都是电磁波。它们的电磁特性相同，只是频率不同而已。如果按其频率或波长的次序排列成谱，则

2、称为电磁波谱.通常所说的光学区域(或光学频谱)包括红外线可见光紫外线光的频率极高(1012~1016Hz)，数值很大，使用起来很不方便，所以采用波长表征。光谱区域的波长范围约从1mm到10nm。可见光？紫外线真空紫外中紫外近紫外红外线远红外中红外近红外极远红外太赫兹波2、红外线、可见光和紫外线的特点？1、为什么叫红外线、紫外线？思考题：关于红外线补充一点内容，就是关于光纤的三个“窗口”什么是光纤的三个“窗口”？如果某种频率的光波以低损耗通过光纤，那么这种频率所对应的波段就是光纤的一个窗口。光纤的三个窗口短波长窗口：0.8~0.9μm长波

3、长窗口：1.31μm1.55μm2、麦克斯韦方程组1）、微分形式的麦克斯韦方程组麦克斯韦在前人的基础上，发展了法拉第的场观点，把有关电磁场现象的各种实验规律高度概括、总结和提高，形成了以麦克斯韦方程组为核心的完整的理论体系，是一组在一般情况下互相协调的方程组。式中，D、E、B、H分别表示电感应强度(电位移矢量)、电场强度、磁感应强度、磁场强度；ρ是自由电荷体密度：J是传导电流密度。微分形式的方程组把空间任一点的电、磁场量联系在一起，可以确定空间任一点的电、磁场。2）、麦克斯韦方程组各式的物理意义第一式：电位移矢量的散度等于空间同一处的自

4、由电荷体密度；第二式：磁场中任意一点的磁感应强度的散度恒等于0；第三式：电场强度矢量的旋度等于磁感应强度随时间的变化率的负值；第四式：磁场强度矢量的旋度等于引起该磁场的传导电流密度和位移电流密度和。3）、麦克斯韦方程组的独立性在微分形式的麦克斯韦方程组中，四个方程式仅有2个是独立的,因此,不能求出描述电磁场的四个场量。3、物质方程光在介质中的传播过程就是光与介质相互作用的过程。因此，在用麦克斯韦方程组处理光的传播特性时，必须考虑介质的属性以及介质对电磁场量的影响。电位移矢量的场是一个有源场，产生这个散度的源是电荷体密度ρ磁感应强度B的场

5、是一个无源场，自然界中无磁荷存在电场强度E的场是一个有旋场，产生这个旋度的源是同一点上磁感应强度B随时间的变化率磁场强度H的场是一个有旋场，产生这个旋度的源是同一点上电位移矢量D随时间的变化率和电荷的运动1）、什么是物质方程？描述介质特性对电磁场量影响的方程，即是物质方程2）、不同介质中的物质方程表达式真空中均匀各向同性介质中非均匀各向同性介质中均匀各向异性介质中介电常数，描述介质电学性质介质磁导率，描述介质磁学性质介电张量，是一个二阶张量对于非磁性介质：对于导电介质：介质的电导率电磁性质的物质方程，反映了电磁场所处介质的宏观电磁性质。

6、在真空和均匀各向同性介质中，D与E、B与H均呈线性关系，且方向一致。在均匀各向异性介质中，D与E、B与H也呈线性关系，但方向不一致。注意：上述物质方程，只在一般的弱电磁场中成立，在强电磁场中，许多介质呈现比较复杂的非线性关系。麦克斯韦方程组仅仅给出了场和源之间的关系?因此，交变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播的电磁波，应当满足描述这种波传播规律的波动方程。从麦克斯韦方程组出发，推导出电磁波的波动方程，条件：限定介质为各向同性的均匀介质；讨论远离辐射源、不存在自由电荷和传导电流的区域。4、波动方程关系:任何随时间变化的电场，在其周围

7、空间产生变化的磁场；任何随时间变化的磁场，在其周围空间产生变化的电场；变化的电场和磁场之间相互联系，相互激发，并以一定速度向周围空间传播。麦克斯韦方程组简化为对4式两边取旋度：得到：代入得到：由于而且：得到：令：此式就是著名的波动方程，说明电磁场以波的形式在空间传播，并且传播速度为v。讨论：1)、传播速度为v与电磁场在真空中的速度c的关系：2)、介质的折射率：3)、麦克斯韦关系：对非铁磁性介质：反映了光在介质中的传播快慢4)、在真空中，一切频率的电磁波都以速度c传播，c是自然界最基本的物理常数之一。5)、对于一般介质，n随光频变化，对不

8、同频段，n值变化很大。6)、根据国标GB3120.6-82,真空中此外，因电磁场是一种以速度v传播的电磁波，所以它所具有的能量也一定向外传播。为了描述电磁能量的传播，引入能流密度--玻印亭矢量5、光电磁场的