光的特性解析课件.ppt

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1、物理教研室物理光学与应用光学9/8/20211第1章光在各向同性介质中的传播特性19世纪60年代，麦克斯韦建立了经典电磁理论，并把光学和电磁现象联系起来，指出光也是一种电磁波，是光频范围的电磁波，从而产生了光的电磁理论；光的电磁理论是描述光学现象的基本理论；本章基于光的电磁理论，简单地综述光波的基本特性，着重讨论光在各向同性介质中的传输特性，光在各向同性介质表面上的反射和折射。--本课程的基础9/8/202121.1光的特性1.1.1光波与电磁波　麦克斯韦电磁方程1.1.2几种特殊形式的光波1.1.3光波场的时域频率谱1.

2、1.4相速度和群速度1.1.5光波的横波性、偏振态及其表示9/8/202131.1.1光波与电磁波　麦克斯韦电磁方程波在连续介质中的某点，若产生一个“振动”，这个振动沿着介质向四周传播出去--波动振动的传递；只有能量的传递，无质量的迁移。波源(辐射源)引起振动的“点”；可以是一个脉冲，也可以是一个周期性振动。波的特性独立性、叠加性；干涉、衍射、偏振；横波、纵波；波的描述几何方法：波面(等相位面)、波线(传播方向)--图示代数法：振幅、周期(频率)、波长、相位--波动方程(波函数)9/8/202141.电磁波谱9/8/202

3、15光波是某一波段的电磁波紫外光:10--390nm:1015—1017Hz人眼不可见，可用荧光屏、照相乳胶、光电管来探测，能量高，杀菌力、穿透力强。可见光:390—760nm:1014—1015Hz人眼可见。可见光的颜色与光的频率有关，光的颜色与频率的对应关系。红外光:760—106nm:1012—1014Hz人眼不可见，有显著的热效应，可用红外光电器件显示红外图象（夜视仪），也是光纤通讯的窗口波段。光谱光强随波长的分布，不同光源有不同的光谱。返回9/8/20216光的颜色与频率的对应关系颜色中心频率/Hz中

4、心波长/nm波长范围/nm红4.5×1014660760-650橙4.9×1014610650-590黄5.3×1014570590-570绿5.5×1014550570-490青6.5×1014460490-460蓝6.8×1014440460-430紫7.3×1014410430-390返回9/8/202172.麦克斯韦电磁方程积分形式的麦克斯韦方程组静电场和静磁场的麦克斯韦方程组静电场的高斯定理静电场的环路定律这一方程组只适用于稳恒场。若电场和磁场是交变场，则其中的部分表达式不适用静磁场的环路定律静磁场的高斯定理麦克

5、斯韦方程组描述了电磁场的基本规律，它有积分和微分两种表达形式。9/8/20218交变电磁场的麦克斯韦方程组麦克斯韦假定在交变电场和交变磁场中，高斯定理依然成立。变化的磁场会产生涡旋电场，故静电场的环路定律应代之以涡旋电场场强的环流表达式；对静磁场的环路定律则引入了位移电流的概念后进行了修改，这样，就得出了适用于交变电磁场的麦克斯韦方程组。（2）式的意义是：单位正电荷沿闭合回路移动一周时，交变的涡旋电场所作的功等于回路中产生的感应电动势。（4）式中的为位移电流。（1）（2）（3）（4）9/8/20219方程(2)随时间变化的

6、磁场将激发涡旋电场；方程(4)随时间变化的电场将激发涡旋磁场；微分形式的麦克斯韦电磁方程与物质方程麦克斯韦方程组中共出现两个电场量E、D和两个磁场量B、H。其中的E、B是基本量，D、H是辅助量。对应的基本量与辅助量的关系取决于电磁场所在的物质。为电导率。以上三式合称为物质方程。麦克斯韦方程组与物质方程结合，构成一组完整的反映电磁场普遍规律的方程组。物质方程9/8/202110由麦克斯韦方程可得到两个基本结论：第一：任何随时间变化的磁场在周围空间产生电场，这种电场具有涡旋性，电场的方向由左手定则决定。第二：任何随时间变化的

7、电场（位移电流）在周围空间产生磁场，磁场是涡旋的，磁场的方向由右手定则决定。9/8/2021114波动方程由麦克斯韦方程组可导出关于电场基本量E和磁场基本量B的两个偏微分方程，从而证明电磁场的波动性。为简化讨论，假设所讨论的空间为无限大且充满各向同性的均匀介质，故、均为常数；又设讨论的区域远离辐射源、不存在自由电荷和传导电流，因此=0，j=0。9/8/202112在此条件下，麦克斯韦方程组简化为取第三式的旋度将（4）式代入上式右侧由场论公式，上式左侧可变为9/8/202113由相似的数学运算可得到关于B的方程两方程变

8、为这两个偏微分方程称为波动方程，它们的解为各种波动，这表明电场和磁场是以波动的形式在空间传播的，传播速度为v。9/8/202114电磁波的速度电磁波在介质中的传播速度取决于介质的介电常数和磁导率，关系式为：当电磁波在真空中传播时，速度为c9/8/202115介质的绝对折射率电磁波在真空中的速度与在介质中