光在各向同性介质中的传输特性.ppt

《光在各向同性介质中的传输特性.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、第一章光在各向同性介质中的传输特性§1.1光波的特性§1.2光波在各向同性介质面上的反射和折射§1.3光波的叠加§1.1光波的特性§1.1.1光波的电磁性质，Maxwell方程射线x射线紫外光红外光微波无线电波10-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm可见光(400~750nm)γ射线→x射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波1.电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称～。各种波长的电磁波中，能为人眼所感受的是400—760nm的窄小范围。对应的频率范围是：这波段内电磁波叫可见光。在可见光范围内，

2、不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。=（7.64.0）1014HZ760630600570500450430400(nm)红橙黄绿青蓝紫通常所说的光学区域(或光学频谱)包括红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高(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~10nm。2、微分形式Maxwell方程对于无源Maxwell方程，则ρ=0，J=0.麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛顿运动定律在力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一

3、。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。另外，这个理论被广泛地应用到技术领域。麦克斯韦电磁方程的重要性光在介质中传播就是光与介质相互作用的过程，必须考虑介质的属性和介质对电磁场的影响，介质特性对电磁场影响用物质方程描述：二、物质方程式中,=0r为介电常数,=0r为介质磁导率σ为电导率。各向同性介质各向异性介质交变电磁场就是电磁场以一定速度由近及远传播的电磁波，因此，光波（电磁波）远离辐射源时，应由波动方程描写。三、波动方程无源Maxwell方程：(1.1-

4、14)波动方程-----表示单位时间内通过垂直于传播方向上的单位面积的能量由于ω太高，无法探测，所以只能探测到其平均值∴光强与光电场振幅平方成正比(1.1-17)(注-4)四、能流密度---poynting矢量(1.1-19)亥姆霍兹方程将定态波代入波动方程可得简化的亥姆霍兹方程：(注-1)(注-2)五、定态波亥姆霍兹方程复振幅定态波---空间各点的扰动都是同频率的简谐振动，波场中各点扰动的振幅不随时间变化。复振幅定态波在空间P点的扰动可以写为：∴复振幅的优点在于集振幅和位相两个空间分布于一身(注-3)方向：垂直于波面(等相面)，指向波面

5、的前进方向复振幅波动方程亥姆霍兹方程一、平面波解1、行波法E仅随z变化§1.1.2波动方程的几个特解变量变换：波动方程变为其解为两个方向传播取其一,取正向传播正向传播负向传播复振幅这是一沿任意方向k传播的平面波2、平面简谐电磁波二、球面波发散球面波会聚球面波其中A为离开点光源单位距离处的振幅值三、柱面波发散柱面波会聚柱面波Fig1-5柱面光波示意图zr四、高斯光束式中E0常数，其余符号的意义为(z)0R(z)z0Fig1-7高斯光束的扩展1/ez01exp[-r2/2(z)](z)(z)Fig1-6高斯分子与光斑尺寸§1.1

6、.3光波场的时域频率和空间频率一、时域频率（一）定义纯在的（理论上的）单色光是不存在的，实际上是在ν0附近包含一个很小的范围△ν＜＜ν0展开，即在ν0-△ν～ν0+△ν范围内，以ν0为中心频率的准单色光单色光：只含一个频率ν0准单色光：由多个单色光组成的光波频谱：光电场是在一定频率范围内连续分布的复色光：通过傅立叶变换，频域内的光场E(ν)可以变换为时域内的光场E(t)，反之亦然主要关心的问题是:E(t)波的时间长度与E(ν)中频率范围的关系及其物理含义（二）、频域与时域的傅立叶转换1、无限长时间的等振幅振荡Fig1-8等振幅及其频谱图t

7、E(t)E0vv0E02E(v)2结论：无限长时间等振幅振荡光场只包含一个振荡频率,即单色光2、持续有限时间的等振幅振荡则功率谱结论：光场频率主要集中在ν1到ν2范围内,相当于准单色光TtE(t)1vT2E(v)2vv1v0v2Fig1-9有限正弦波及其频谱图则∴衰减振荡的频率不再是单一频率ν0，不再是单色光3、衰减振荡衰减系数β功率谱定义谱线宽度t01E(t)v1v2v0vE(v)2v1/2Fig1-10衰减振荡及其频谱图按照有限时间等幅振荡，准单色光场对于高斯光束准单色光场则4、准单色光功率谱频率宽度ttAE(

8、t)v1v2v0vE(v)2v表征了高斯型准单色光波的单色性程度以平面波为例在z方向上传播的平面波fx=fy=0，fz=1/λ按照时域与时频之转换同样可以得到空域与空间频率的转换在x方向