最新《物理光学》第一章课件教学讲义PPT.ppt

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1、《物理光学》第一章课件前言§1麦克斯韦电磁场理论与电磁波§2典型光波—平面电磁波、球面波、柱面波§3辐射能与电偶极子辐射电磁波§4光在两电介质分界面上的反射和折射§5光在金属表面的反射和透射§6光的吸收、色散、散射前言十九世纪中叶，麦克斯韦（Maxwell）在电磁学理论研究基础上，推测光的传播是一种电磁现象，是电磁振动在空间的传播。２０年后赫兹（Hertz）第一次在实验上证实了光波就是电磁波。从而产生了光的电磁理论。三、物质方程电磁场总是在介质中传播的，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，以及介质对电磁场的影响。描写物质在场作用下特性的关系式称为物质方程。静止

2、的、各向同性的（物质每一点的物理性质不随方向改变）媒质中的物质方程有如下简单关系：（1-5）（1-6）（1-7）式中，σ是电导率；ε和μ是两个标量，分别称为介电常数和磁导率。在各向同性均匀介质中，ε、μ是常数，σ=0。在真空中，。对于非磁性物质，μ＝1。物质方程给出了媒质的电学和磁学性质，它们是光与物质相互作用时媒质中大量分子平均作用的结果。麦克斯韦方程组物质方程描述时变场情况下电磁场普遍规律由麦克斯韦方程组证明电磁场传播的波动性假设介质均匀、透明、无限大且远离辐射源，即ε、μ为常数，σ=0，麦克斯韦方程组简化为：（1-10）（1-9）（1-11）（1-8）分别对式(1-10)、(

3、1-11)取旋度，由场论公式，利用式（1-8）、（1-9）则E、B的方程化为（1-13）（1-12）式（1-12）和（1-13）是典型微分形式的波动方程，其解是各种形式的电磁波，且该方程代表的波传播速度为，且E、B的方程形式相同，所以E、B遵循相同的规律。由此表明：▲B、E随时间和空间的变化是遵循波动的形式▲电磁波以波动形式在空间传播▲电磁波的传播速度，与介质的电学和磁学性质有关可知真空中波动速度为与实验测定真空中光速一致（1-13）（1-12）由电磁波的波动方程得到介质中的电磁波的速度为介质对电磁波的折射率为：对于非磁性物质，所以表示：介质的光学常数n与介质电学常数ε和磁学常数μ

4、有关系1）、折射率是关于介质材料光学性能的重要参数；2）、一种介质对不同波长的光具有不同的折射率，这被称作色散----白光经界面折射被分散为不同颜色的光束。3）、折射率与光速的关系：介质折射率等于真空中光速与该介质中光速的比值:n=c/v例如:水的折射率为n=4/3,光在水中的传播速度为v=3×108m/s×3/4≈2.25×108m/s关于折射率的讨论4）、折射率与波长比波动的波速v等于扰动的时间频率f和空间λ的乘积：v=fλ真空中光波为c=f0λ0,介质中光速为v=fλ其中λ0和λ分别是某一特征谱线在真空和介质中的波长折射率为：n=f0λ0/fλ线性介质的光场中，频率仅由光源决

5、定,与其传播介质无关，即同一谱线的光波在不同介质中具有相同频率，即f=f0n=λ0/λ介质折射率等于同一谱线在真空中波长与在该介质中波长的比值四、电磁波谱可见光范围：红外线（0.3mm-0.76um）远红外0.3mm-20um中红外20um-1.5um近红外1.5um-0.76um紫外线（400nm-10nm）近紫外390nm-300nm中紫外300nm-200nm真空紫外200nm-10nm可见光（390nm-780nm）习惯上将红外线、可见光和紫外线进一步细分：第二节典型光波——平面电磁波、球面波、柱面波一、平面电磁波平面电磁波：在与传播方向正交的平面上各点电场或磁场具有相同值

6、的波特点：其等相面（波阵面）为无限大平面沿+z方向传播的平面波等相面等相面：波在某个时刻位相为常数的位置的轨迹平面波球面波求解波动微分方程可得E、B的多种形式解：柱面波其中：A和A´分别是电场和磁场的振幅矢量是平面波在介质中的传播速度，λ是波长称为位相，可看出等相面是垂直于z轴的平面表示波沿z轴正向传播表示波沿z轴负向传播反映波的物理量随空间和时间的变化规律最简单的平面波是简谐波平面波对于沿Z轴正向传播的简谐平面波可用余弦函数表示为：根据物理量之间的关系，总结以上简谐波可以写成：物理量之间的关系：其中，是波的频率（单位时间内场周期变化的次数）；T为周期（场一次周期变化所需的时间）；

7、ω为角频率；λ为光波波长。为真空中光波长或者：或者：公式描述的是一个有单一频率、在时间空间上无限延续的波引入波传播方向上的波矢量，其大小k（称为空间角频率或波数）与λ、ω、及υ的关系为：简谐波可写成：固定某一时刻，看波在空间的分布：分析：固定空间某点Z0，随时间周期振动：空间周期性与时间周期性之间通过传播速度相联系。任何时间周期性和空间周期性的破坏都意味着光波单色性的破坏。例：平面电磁波可以表示为：写出（1）该电磁波的频率、波长、振幅和原点初相位？（2）波的传播方向和