物理光学-第1章光波的基本性质

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1、物理光学常青（13104635555）物理光学教材：廖延彪主编，电子工业出版社2006年出版的《光学原理与应用》参考书籍：梁铨廷主编，机械工业出版社1987年出版的《物理光学》考试：闭卷考试（占80%）平时成绩（占20%）(出席、习题课)学时：72学分：4讲述内容：光的偏振、干涉、衍射、光的吸收和散射及晶体光学的基础知识绪论发展历史：既古老又新颖的学科古老：公元前400年左右-反射、成像新颖：20世纪60年代-激光出现光的研究主要涉及：发射-光源传输-光与物质相互作用经典光学：近代光学：接收-光探测器光

2、学的基本参量折射率：各向同性：反射、折射；直线传输各向异性：双反射、双折射影响因素：波长：外场：电光效应-电场磁光效应-磁场弹光效应-力场热光效应-温度强光效应-能量时间：非稳态光场空间：衍射光学的基本参量光波能量：低-经典光学高-非线性光学光波的偏振：波长：吸收与透射传输特性与传输介质的相对尺寸有关尺寸大于波长——一般的光学理论尺寸小于波长——导波光学、光纤光学、微光学光学的应用构成各种光学观测仪器：显微镜、照相机、投影仪。构成各种光学检测、计量仪器：利用干涉、利用衍射。构成各种光学检测方法：利用加外

3、场构成各种光学加工系统：光学加工机（利用热效应）构成各种光学医疗系统：激光手术刀物理光学课程讲述内容第1章光波的基本性质第2章光的干涉第3章光的衍射第4章晶体光学基础第5章光的吸收、色散和散射第1章光波的基本性质本章主要讨论的内容：光是电磁波，它具有电磁波的通性。因此，要了解光的波动性，就必须首先了解电磁波有些什么基本性质。本章将简要介绍光的电磁理论以及它对一些光学现象如光的反射和折射现象所作的简单处理，使我们对光的电磁本性有一个概念性的认识。§1-1电磁场的基本方程§1-1-1麦克斯韦方程光是电磁波，

4、它具有电磁波的通性——麦克斯韦方程组。（1）传导电流或随时间变化的电场能够产生磁场。（2）随时间变化的磁场在周围空间产生电场。（3）空间无磁荷存在。（4）电荷是电场的源。电场强度E、磁感强度B、电感强度D、磁场强度H、电流密度J、场中自由电荷密度§1-1-2物质方程物质方程：反映了在电磁场作用下的媒质的特性，适用于各向同性的媒质。为媒质的电导率；为媒质的介电常数；是真空介电常数；是相对介电常数；是媒质的磁导率；是真空磁导率；是媒质的相对磁导率。§1-1-2物质方程物质方程的物理意义：若媒质的电导率—媒质

5、具有导电性电磁波在这种媒质中传播时要衰减，因为电磁波的部分能量会转化为焦耳热而被消耗掉。若—透明介质对光没有吸收，是绝缘体（水、玻璃、石英晶体等透明媒质，物质方程中J=0）。E、D相互连系：由媒质决定。B、H相互连系：由媒质决定。对光波透明的电介质其，即。最后J和应满足电荷守衡定律，即一个系统的总电荷严格保持不变。即场中某一点电流密度的散度等于该点单位时间内电荷密度的减少。§1-1-3能量定律，波印廷矢量E、D、B、H—光学中无法直接测量。I（光强度）—光学中可直接测量。推导：从麦克斯韦方程组中推出。电

6、磁场的能量密度为：第一项为电场的能量密度（电能密度），第二项是磁能密度。S矢量的大小等于单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的电磁能量，其方向取能量的流动方向。因此在单位时间内垂直通过单位面积的能量大小为：§1-1-4波动方程理论基础：麦克斯韦方程组+物质方程推导过程：无限大均匀介质中的情况取4式的旋度,并代入3式得到:而所以§1-2光波与电磁波几个概念：光扰动：（光振动）E、H光矢量：把E的振动称为光矢量。光场：光波存在的区域。波面：任一时刻振动状态相同的各点所组成的平面。按波面形状分：平面波、球面

7、波、柱面波。按振动频率分：单色光、准单色光、多色光。横波：光矢量与光波传播方向相同。§1-2光波与电磁波矢量形式的波动方程：标量形式的波动方程：适用条件：矢量形式的波动方程：标量形式的波动方程：§1-2-1平面波、球面波、谐波、柱面波、高斯光束§1-2-1-1平面波定义：平面波是指波面为一平面的波。波面（任一时刻振动状态相同的各点所组成的面）图示：函数表达式:,为　　　　　　的解。平面波振幅是常数，不随距离r变化。§1-2-1-1平面波推导过程：令同样§1-2-1-1平面波所以或对q积分得g(p)为p的

8、任意函数。再对p积分得到：§1-2-1-1平面波物理意义：是波动方程的一个解；f2表示以同一速度沿Z负方向前进的波。f1和f2为两个任意函数。f1表示以速度v沿z正方向传播的波；设f2=0,f=(f1(z-vt))z=z0,t=t0f=(f1(z+vt-v(t+t))=(f1(z-vt))f1表示以速度v沿Z正方向传播的波;因为我们讨论的是由辐射源（光源）向外辐射的波的传播问题，所以只取第一项，即§1-2-1-2球面波定义：波阵面是球面，这