第2讲-光与物质的相互作用

《第2讲-光与物质的相互作用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2013/12/18研究生课程纳米光学(Nano-Optics)第二讲:光与物质的相互作用董国艳中国科学院大学材料科学与光电技术学院1你知道吗？…光进入绝缘体(电介质)会发生什么？电解质材料是否总是透明无损耗的？212013/12/18本讲内容1.电磁理论−电磁波的产生与传播−电介质的极化−麦克斯韦方程−边界条件−本构关系−波动方程−时谐场−复介电常数2.材料的光学性能−吸收−散射−色散3.微观和宏观材料理论−自由和束缚电子−绝缘体/电解质的电磁响应:Lorentzmodel−金属的电磁响应:Drudemodel（后面讲讨论）4.利

2、用纳米结构设计光与物质相互作用的实例——生成双折射31、电磁理论光计算的数学基础是电磁场理论。由于光是电磁波，因此电磁场理论可以解释和计算光学现象。①电场和磁场共存②电磁波是横波EH//kk③电场和磁场方向互相垂直④E和H传播速度相同、相位相同EH⑤电磁波速1181介质中v真空中c2.997910ms00⑥电磁波具有波的共性——在介质分界面处有反射和折射c折射率nrrrv00422013/12/18电磁波的产生与传播变化的磁场激发电场:变化的电场激发磁场:BtD

3、EtBBBBxEEE变化的电磁场在空间以一定的速度传播就形成电磁波.5平面电磁波平面波的电场可表示为E(x,t)Ecos(krt)0E0为振幅，t为时间，为角速度，=2f，f为频率，k为波矢，k=2/，r为位置矢量用复数表示，平面波有如下关系exp(ia)=cosa+isina平面波的电场可表示为Ert(,)Eexp(ikrit)0同样，磁场的复数形式Hrt(,)Hexp(ikrit)0632013/12/18麦克斯韦方程怎样描述光的波动性质?–Maxwell’sequations

4、DextB0散度公式EB/t旋度公式HD/tJext如果没有外部电(1831–1879)D=电位移矢量荷和电流E=电场强度矢量，D0B=磁感应强度矢量H=磁场强度矢量B0连接4个宏观场量ext=外部电荷密度EB/tE,H,D,BJext=外部电流密度HD/t7divergence:散度，curl:旋度，macroscopic:宏观的7麦克斯韦电磁场方程的微分形式D0divD0BBrotEEttB0divB

5、0DDHj0rotHj0tt算符说明：散度：div=divergence旋度：rot=rotation为微分算子，也称Hamilton算子,定义为ijkxyz842013/12/18标量场的梯度是矢量场：(x,y,z)ijkxyz矢量场的散度是标量场：AAiAjAkxyzAAAxyzAxyz矢量场的旋度还是矢量场：AzAyijkA()iyzx

6、yzAAAAxzyxAAA()j()kxyzzxxy9电介质的极化平行板电容器真空介电材料电场电位移极化强度金属板表面的(正的与负的)自由电荷介电材料表面的束缚电荷真空介电常数(8.85×10-12As/Vm)相对介电常数r电容0101052013/12/18电介质的极化材料可按其对外电场的响应方式区分为两类：导电材料：以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应，导体中的自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。电介质：在外电场作用下沿着电场方向产生电偶极矩的改变，通常是指电阻率大于10

7、10·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。。在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电荷。在电场作用下，正负束缚电荷间发生相对偏移或极性随电场方向改变，产生感应偶极矩的现象，称为电介质的极化。11极化响应电位移矢量适用于：电机械极化材料极化热真空电位移强度r极化率相对介电0常数非极性极性介电性质1262013/12/18复介电常数在真空中：C0＝0A/d把交变电压U＝U0eit加在这个电容器上，则在电极上出现电荷Q＝C0U，该电容上的电

8、流：I0＝iC0U，它与外电压相差90°的相位，是一种非损耗性的电流.当两电极间充以非极性的、完全绝缘的材料时，C＝rC0，则电流变为I＝iCU=rI0如果两电极间充以弱导电性的，或是极性的，或兼有此两种特性，那么电容器不