第二部分-I-光波特性

1、第二部分光波的特性激光的基本原理及特性一、光波的特性（一）、光波與電磁波、麥克斯韋電磁方程1、電磁波譜 光是一種電磁波，X 射線、 射線也都是電磁波。它們的電磁特性相同，只是頻率或波長(zhǎng)不同而已。將電磁波按其頻率或波長(zhǎng)的次序排列成譜，則稱為電磁波譜。通常所說(shuō)的光學(xué)區(qū)域或光學(xué)頻譜包括：紅外線、可見光和紫外線。由于光的頻率極高10121016Hz（10141015Hz），一般采用波長(zhǎng)表征，光譜區(qū)域的波長(zhǎng)范圍約從1 mm到10 nm。 遠(yuǎn)紅外 (1 mm 20 m)(1 mm 0.76m) 中紅外 (20 m 1.5 m) 近紅外 (1.5 m 0.76 m) 紅 色(760 nm 630 nm) 橙

2、 色 (630 nm 600 nm) 黃 色 (600 nm 570 nm)可見光 (760 380 nm) 綠 色 (570 nm 490 nm) 青 色(500 nm 450 nm)藍(lán) 色 (450 nm 430 nm) 紫 色 (430 nm 380 nm) 近紫外 (380 nm 300 nm) 紫外光 (380 10 nm) 中紫外(300 nm 200 nm)真空紫外(200 nm 10 nm)1激光的基本原理及特性波長(zhǎng) / m無(wú)線電波微波紅外線紫外線可見光 X 射線 射線宇宙射線1m103m106mm10910-310-610-9nm波長(zhǎng) / nm1061020039045549

3、25775976227605x1036x1034x104300極遠(yuǎn)遠(yuǎn)近極遠(yuǎn)遠(yuǎn)中近紅橙黃綠藍(lán)紫電磁波譜圖第二部分光波的特性2激光的基本原理及特性2、麥克斯韋電磁方程 根據(jù)光的電磁理論，光波具有電磁波的所有性質(zhì)，這些性質(zhì)都可以從電磁波的基本方程麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來(lái)。 麥克斯韋方程組的微分形式： D B 0 x E ( B/ t) x H J + ( D/ t)式中：D、E、B、H 分別表示電感應(yīng)強(qiáng)度（電位移矢量）、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度； 是自由電荷密度、 J是傳導(dǎo)電流密度。這種微分形式的方程組將空間任一點(diǎn)的電、磁場(chǎng)聯(lián)系在一起，可以確定空間任一點(diǎn)的電、磁場(chǎng)。3、物質(zhì)方程 D E B H

4、J E式中： 0 r 為介電常數(shù)，描述介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)。 0 是真空中介電常數(shù)， r 是相對(duì)介電常數(shù) ； 0r 為介質(zhì)磁導(dǎo)率，描述介質(zhì)的磁學(xué)性質(zhì)。0 是真空中磁導(dǎo)率，r 是相對(duì)磁導(dǎo)率； 為電導(dǎo)率，描述介質(zhì)的導(dǎo)電特性。注：若介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)是各向異性的，則、 和 應(yīng)當(dāng)是張量。第二部分光波的特性3激光的基本原理及特性4、波動(dòng)方程 在各向均勻的介質(zhì)中，在遠(yuǎn)離輻射源，不存在自由電荷和傳導(dǎo)電流的區(qū)域，此時(shí)麥克斯韋方程組簡(jiǎn)化為： D 0 B 0 x E ( B/ t) x H ( D/ t)由此可推導(dǎo)出交變電磁場(chǎng)所滿足的典型的波動(dòng)方程： 2 E (1/2)(2 E/ t2) = 0 2 H (1/2)(2 H

5、/ t2) = 0該式說(shuō)明了交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)是以速度 傳播的電磁波動(dòng)。式中： ()-1/2 光電磁波在真空中的傳播速度: (00)-1/2 為表征光在介質(zhì)中傳播的快慢，引入光折射率：n = c/ = (rr)1/2 除鐵磁性介質(zhì)外，大多數(shù)介質(zhì)的磁性都很弱，可以認(rèn)為 r 1。因此，折射率可以表示為：n = (r)1/2 此式稱為麥克斯韋關(guān)系。對(duì)于一般介質(zhì)， r 或 n 都是頻率的函數(shù)，具體的函數(shù)關(guān)系取決于介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。第二部分光波的特性4激光的基本原理及特性5、光電磁波的能流密度 為了描述電磁能量的傳播，引入能流密度玻印亭（Poyning）矢量S，它定義為： S E x H 表示單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直

6、于傳播方向上的單位面積的能量。 對(duì)于一種沿Z方向傳播的平面光波，光場(chǎng)表示為： E = ex E0 cos( wt - k z ) H = hyH0cos(wt - k z )式中的ex 、hy是電場(chǎng)、磁場(chǎng)振動(dòng)方向上的單位矢量，其能流密度S為 S szE0H0cos2(wt - k z) S sz(n/ 0 c)(E0)2cos2(wt - k z)平均能流密度： S 為 S 在光探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的積分。光強(qiáng)： I S (1/2) (n/ 0 c)(E0)2 (1/2) ( / )1/2 (E0)2 a (E0)2 在同一種介質(zhì)中，光強(qiáng)與電場(chǎng)強(qiáng)度振幅的平方成正比。第二部分光波的特性5激光的基本

7、原理及特性6、平面光波 光波中包含有電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量，從波的傳播特性來(lái)看，它們處于同樣的地位，但是從光與介質(zhì)的相互作用來(lái)看，其作用不同。在通常應(yīng)用的情況下，磁場(chǎng)的作用遠(yuǎn)比電場(chǎng)弱，甚至不起作用。因此，通常把光波中的電場(chǎng)矢量 E 稱為光矢量，把電場(chǎng) E 的振動(dòng)稱為光振動(dòng)，在討論光的波動(dòng)特性時(shí)，只考慮電場(chǎng)矢量 E 即可。（1）、單色平面波 單色平面波的三角函數(shù)表示沿z 方向傳播的平面光波，其電場(chǎng)表示式為 單色平面波的復(fù)數(shù)表示式 （2）、球面光波 一個(gè)各向同性的點(diǎn)光源,它向外發(fā)射的光波是球面光波，等相位面是以點(diǎn)光源為中心、隨著距離的增大而逐漸擴(kuò)展的同心球面。所以球面光波的振幅只隨距離 R 變化。第二

8、部分光波的特性6激光的基本原理及特性7、光的偏振 平面光波是橫電磁波，其矢量的振動(dòng)方向與光波傳播方向垂直。根據(jù)空間任一點(diǎn)電場(chǎng) E 的矢量末端在不同時(shí)刻的軌跡不同，其偏振態(tài)可分為線偏振、圓偏振和橢圓偏振。8、光的干涉 光的波動(dòng)性主要標(biāo)志之一：兩列波疊加后產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 光的干涉本質(zhì)：光強(qiáng)重新分配。 相干的條件：同頻率、同偏振、有固定的相位差。9、光的衍射 光的衍射是指光波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，所發(fā)生的偏離直線傳播的現(xiàn)象。 光的衍射現(xiàn)象與光的干涉現(xiàn)象其實(shí)質(zhì)都是相干光波疊加引起的光強(qiáng)的重新分布； 不同之處：光的干涉現(xiàn)象是有限個(gè)相干光波的疊加，光的衍射則是無(wú)限多個(gè)相干光波的疊加的結(jié)果。 衍射分為：夫瑯和費(fèi)衍射和菲涅耳衍射。 第二部分光波的特性7激光的基本原理及特性10、光學(xué)膜 光學(xué)薄膜 多光束干涉空氣n1玻璃n2IiIrItR = (n1-n2)/(n1+n2)2 T = 4n1n2/(n1+n2)2n1n2n3R = (n1n3-(n2)2)/(n1n3+(n2)2)2空氣玻璃MgF多層高反射膜HD 高反射膜為奇數(shù)層 層數(shù)越多，R越大 只對(duì)應(yīng)一種波長(zhǎng)第二部分光波的特性8激光的基本原理及特性6、光子狀態(tài)的描述 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：位置與動(dòng)量不能同時(shí)確定 在一個(gè)有限的空間里，光子數(shù)按動(dòng)量和頻