物理光学课件.ppt

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1、1课程要求课程要求 课堂笔记课堂笔记 平时作业平时作业 考试成绩考试成绩 严肃纪律严肃纪律2 电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的，一个是电场波，一个是磁场波。波动光学理论近似于电磁理论，它只说明了光是一个具有时间和位置的标量函数（波函数）。几何光学是在短波长范围的更进一步简化，因此，可以认为电磁光学包含了波动光学，而波动光学又包含了几何光学。量子光学的理论几乎可以解释所有光学现象，比电磁光学更具一般性。全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射、光子统计和激光线宽等问题。量子光学电磁光学波动光学几何光学3 在研究光与介质（一般为二能级的原子模型）的在研究光与介质（一般为二能

2、级的原子模型）的相互作用时，有如下几种处理方法：相互作用时，有如下几种处理方法：经典方法经典方法: :麦克斯韦方程描述场麦克斯韦方程描述场 + + 用经典电磁学方法用经典电磁学方法处理原子与光场的相互作用。处理原子与光场的相互作用。半经典方法：麦克斯韦方程描述场半经典方法：麦克斯韦方程描述场 + + 量子力学方法量子力学方法处理原子与光场的相互作用。（如最常用的处理原子与光场的相互作用。（如最常用的Maxwell-Maxwell-BlocthBlocth方程）。方程）。全量子方法：场进行量子化全量子方法：场进行量子化 + + 原子在场中的行为也原子在场中的行为也用量子力学方法处理（用量子力学方

3、法处理（Janes-Cummings Janes-Cummings 模型）。模型）。4光学总论光学总论光学史光学是人们对光进行研究和应用的科学。 首先，它是一门古老的学科。早在4000年前的古埃及和约3000年前的中国，人们就有利用光学现象的先例。如铜镜、凹面镜取火（周礼考工记，周朝）等。到了公园前400年，我国出现了有关针孔成像（墨经，先秦。“景到（倒），在午有端，与景长，说在端。）、平面镜和球面镜（梦溪笔谈，宋朝）等早期光学实验记录。今天光学教科书的传统内容已十分丰富。 5 其次，它又是一门朝阳学科。自1960年激光问世以来，光学渗透到了各个领域，并出现了交叉分支。 人们对光学的科学研究集

4、中在光的本质、光的传播以及与物质的相互作用方面。对于光究竟是什么，直到17世纪才形成两种看法各异的观点微粒说和波动说微粒说和波动说。6n微粒说的代表人物是笛卡尔（R. Descartes）和牛顿（I. Newton）。n其认为发光物体都发射光微粒，这些微粒可在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动。n微粒说可解释光的直线传播、光的反射现象，亦可勉强解释光的折射。但对实验中相继发现的大量光的干涉、衍射和偏振现象却无法解释。 7n波动说是有胡克（R. Hooke）和惠更斯（C. Huygens）提出的。n其认为光是一种波动，光的传播不是微粒的运动，而是运动能量按波的形式迁移的过程。n波动说能更简单地

5、解释光的反射、折射现象。n遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程，认为光是一种弹性波，因而必须臆想一种特殊的弹性介质（以太）充满空间，这种介质应密度极小和弹性模量极大。这些均无法实验验证。8n加之当时出于牛顿在力学方面的巨大贡献，因此对波动说几乎无人相信。n直到19世纪初，由于杨氏（T. Young）、菲涅尔（A. J. Fresnel）等一批科学家的不懈努力，令人信服地用波动说解释了光的干涉、衍射和偏振现象，波动理论的地位才被确立。 9n在光学发展过程中，曾出现过令物理学家大为困惑的，极力寻找和证实的物质以太(ether)。既然光是一种波，那么，它赖以传播的介质是什么？n这个问题直到19世

6、纪末随着洛伦兹（H. A. Lorentz）创立电子论及随后的场论，才使以太论最终抛弃。 10n至此，人们以为最终认识了光的本质。n然而本世纪初，在解释黑体辐射、光电效应及康普顿散射等现象时，波动说却无能为力。n1905年，爱因斯坦（A. Einstein）重新提出光的粒子性概念光子，从而解决了以上的问题。 11n光有粒子性和波动性双重性质波粒二相性，不同场合表现出的属性不同。n60年代，由于激光的发明，使得人们在光通讯、全息术、非线性光学、光信息处理等方面能大显身手。 12第十章第十章 光的电磁理论基础光的电磁理论基础n光的本质n光的电磁理论的建立n麦克斯韦（Maxwell）n赫兹（Hert

7、z）n光在电磁波中的位置13 The electromagnetic spectrum14 第一节第一节 光的电磁性质光的电磁性质高斯定理： 安培定则：llSSIdddQdlHlEsBsD00：磁场强度：电场强度B: : 磁感强度D: 电感强度HE一、麦克斯韦方程组一、麦克斯韦方程组 （Maxwells equation）1、静电场和稳恒电流磁场的基本规律152、麦克斯韦方程组的积分形式高斯定理：法拉第定理：（涡旋定理）sDlHsBlEsBsDdtIddtdtdddQdllSS0：磁通量：磁场强度：磁感强度：电场强度：电感强度HBED后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。163、麦克斯韦方

8、程组的微分形式微分形式：微分形式：（101）（102）（103）（104）揭示了电流、电场、磁场相互激励的性质：位移电流密度。导电流密度；：积分闭合回路上的传度；：封闭曲面内的电荷密t DjttDjHBEBD017二、物质方程（描述物质在场作用下特性的方程）二、物质方程（描述物质在场作用下特性的方程）HBEDEj：磁导率。：介电常数；：电导率； ）库秒（牛）米牛（库，在真空中：2222702222120/104/108542. 80CSNmNC18三、电磁场的波动性（波动方程）三、电磁场的波动性（波动方程）ttEBBEBE0000，：对于电磁场远离辐射源j 点积为零，叉积与时间偏导成正比022

9、2EEEEEBEtt00222222ttBBEE结果：(10-13)(10-14)1900222222ttBBEE结果：smcv/ 1099794. 211800光速：电磁波的传播速度：00 rrrr;和相对磁导率引入相对介电常数rrrrvcncv 和电磁波的折射率：电磁波的速度：有20四、平面电磁波及其性质四、平面电磁波及其性质（一）波动方程的平面波解z0000zzyxzyx1、方程求解：yxzv设光波沿z轴正向传播21)()()()(,2121tvzftvzfBtvzftvzfEtvztvz，和，则有令0101222222222tvztvEEEE结果：22)()()()(tvzftvzfB

10、tvzftvzfE2121为变量的任意函数。和是以和)()(tvztvzff21轴负向传播。表示沿轴正向传播，表示沿ztvzfztvzf)()(21)()(tvzfBtvzfE11这是行波的表示式，表示源点的振动经过一定的时间推迟才传播到场点。取正向传播：2、解的意义：23ckkvkncTvTT/2/2/,/220000空间角频率：波数：波长：振动频率（二）波动方程的平面简谐波解 (Simple Harmonic Wave)(cos)(costvzABtvzAE 称为位相：角频率：磁场振幅矢量：电场振幅矢量 )(tvzAA 位相是时间和空间坐标的函数，表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态。2

11、4ckncTTT00002, 22，)cos()(costkzAETtzAE 2波动公式：（1025）（1026）上式是一个具有单一频率、在时间和空间上无限延伸的波。和空间角频率、一时刻，参量：某在空间域中（时间轴为k /1、及角频率、参量：）在时间域中（空间某点Tcorv25kP(x,y,z)xyzros=r ktzyxkAEtAEcoscoscoscos)cos(rk沿空间任一方向k传播的平面波)(exptiAErk平面波的复数形式：)exp(rk iAE复振幅：复振幅：只关心光波在空间的分布。26（三）平面电磁波的性质1、横波特性横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播 方向。2、E

12、、B、k互成右手螺旋系互成右手螺旋系。)()(100EkEkBv3、E和B同相同相vBE127zEx = Eosin(tkz)ExzPropagationEBkE and B have constant phasein this xy plane; a wavefrontEA plane EM wave travelling along z, has the same Ex (or By) at any point in agiven xy plane. All electric field vectors in a given xy plane are therefore in phase.

13、The xy planes are of infinite extent in the x and y directions. 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)28ExzDirection of PropagationByzxykAn electromagnetic wave is a travelling wave which has timevarying electric and magnetic fields which are perpendicular to eachother and the direction of

14、 propagation, z. 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)29五、球面波和柱面波五、球面波和柱面波1、球面波：任意时刻波振面为球面的光波 公式 公式的意义rkrk)(exptkrirAE )exp(),exp(ikrrAEikrrAE会聚的球面波：发散的球面波：30)exp(),exp(ikrrAEikrrAE会聚的柱面波：发散的柱面波：2、柱面波（具有无限长圆柱波面的波，一般由线光源产生） 公式 公式的意义)(exptkrirAE 31Concept1. Amplitude, A, is the height of th

15、e wave above the axis of propagation. The energy of the light is proportional to the square of the amplitude.2. Wavelength, , is the distance between consecutive equivalent points on the wave.3. Frequency, , is the number of oscillations per second.32Concept4. Period, T, is the time it takes a point

16、 on the wave to make on complete oscillation. Period and frequency are reciprocal to one another.5. The velocity of propagation, v, of a wave is the product of wavelength and frequency;33本课内容回顾本课内容回顾1、麦克斯韦方程组2、物质方程3、波动方程4、电磁波的平面波解（平面波、简谐波解的电磁波的平面波解（平面波、简谐波解的形式和意义，物理量的关系，电磁波的性质）形式和意义，物理量的关系，电磁波的性质）5、球面波和柱面波（定义、方程表达式）34Homework1. A particle is in simple harmonic motion with a period of 3s and an amplitude of 6 cm. One-half second after the particle has passed through its equilibrium position, what