光學工程課件

1、第十章 光的電磁理論基礎兩種波動理論光的電磁理論的建立安培（Ampere）法拉第（Faraday）麥克斯韋（Maxwell）赫茲（Hertz）現(xiàn)代物理光學的兩種理論基礎1 第一節(jié) 光的電磁性質高斯定理：一、麥克斯韋方程組1、靜電場和穩(wěn)恒電流磁場的基本規(guī)律閉合曲面上的積分閉合回路上的積分積分閉合曲面內包含的總電量積分閉合回路包圍的傳導電流安培環(huán)路定律磁場是無源場靜電場是無旋場22、麥克斯韋方程組的積分形式（交變場）高斯定理：法拉第定理：（渦旋定理）后兩個公式反映了磁場和電場之間的相互作用。D：電感強度B：磁感強度E：電場強度H：磁場強度 ：磁通量變化的磁場產生渦旋電場變化的電場產生渦旋磁場位移電

2、流電場的變化傳導電流電荷的流動33、麥克斯韋方程組的微分形式（交變場）微分形式：（101）（102）（103）（104）揭示了電流、電場、磁場相互激勵的性質4麥克斯韋方程揭示了電場、磁場的性質及電、磁場之間的聯(lián)系。方程：電場的高斯定律：電場可以是有源場； 電力線必須從正電荷出發(fā)終止于負電荷。方程：磁通連續(xù)定律：磁場是無源場； 通過閉合面的磁通量等于零，磁力線是閉合的。方程：法拉第電磁感應定律：變化磁場產生感應 電場（渦旋場），其電力線是閉合的。方程：安培全電流定律：傳導電流和位移電流都對 磁場的產生有貢獻?？偨Y：5二、物質方程（描述物質在場作用下特性的方程）歐姆定律：電導率介電常數(shù)磁導率電磁場

3、所在物質的性質基本物理量麥克斯韋方程組物質方程描述時變場情況下電磁場普遍規(guī)律6三、電磁場的波動性（一）、電磁場的傳播隨時間變化的電場在周圍空間產生一個渦旋磁場隨時間變化的磁場在周圍空間產生一個渦旋電場互相激發(fā)，交替產生，在空間形成統(tǒng)一的場電磁場交變電磁場在空間以一定的速度由近及遠地傳播電磁波7點積為零，叉積與時間偏導成正比(10-13)(10-14)（二）、電磁場波動方程8（三）、電磁波真空中傳播速度表明電場和磁場是以波動形式進行的9電磁波譜短高無線電電視微波紅外紫外X射線g射線104310-41081012101610203100310-4310-8310-12頻率(Hz)波長(m)10四、

4、平面電磁波及其性質（一）波動方程的平面波解1、方程求解：平面電磁波是在與傳播方向正交的平面上各點電場或磁場具有相同值的波 應用數(shù)理方法中行波法求解方程得 令和11這是行波的表示式，表示源點的振動經過一定的時間推遲才傳播到場點。取正向傳播：2、解的意義：12（二）平面簡諧電磁波的波動公式位相是時間和空間坐標的函數(shù)，表示平面波在不同時刻空間各點的振動狀態(tài)。等相面或波面某一時刻位相為常數(shù)的位置的軌跡波矢量k平面波的等相面是平面等相面法線方向，波能量的傳播方向（各向同性介質），大小波數(shù)等于13固定某一時刻 ，看波在空間的分布： 固定空間某點 ，隨時間周期振動： 傳播速度波長時間頻率14波動公式：（10

5、25）（1026）上式是一個具有單一頻率、在時間和空間上無限延伸的波。15沿空間任一方向k傳播的平面波復振幅：只關心光波在空間的分布。16（三）平面電磁波的性質1、橫波特性：電矢量和磁矢量的方向均垂直波的傳播方向。2、E、B、k互成右手螺旋系。3、E和B同相17五、球面波和柱面波1、球面波 公式的推導 公式的意義球面波的等相面是r常量的球面182、柱面波 公式的推導 公式的意義柱面波的等相面是r常量的柱面19六、光波的輻射（一）電偶極子輻射（二）輻射能輻射強度矢量或坡印亭矢量電磁波的傳播過程伴隨著能量在空間的傳遞 用于描述電磁能量的傳播 S方向表示能量流動的方向 其大小表示單位時間垂直通過單位面積的能量 S與E和B互相垂直，組成右手螺旋系光強度20（三）實際光波實際光波的波列形式存在非單一頻率的簡諧波由一段段有限長波列組成波列長度取決于原子兩次碰撞的時間間隔10-9s實際光波無偏振性波列的振動方向和相位的無規(guī)則性，光源由無數(shù)獨立原子組成觀測者在一個較長觀測時間T(T 波列存在時間)內接收這類光的組合時,各個波列的振動方向和相位被完全平均成為均勻包含任何方位振動的光自然光，這就是實際光源發(fā)出的光波 21本課內容回顧