第二部分光波特性

第二部分光波特性第一頁，共十頁，2022年，8月28日激光的基本原理及特性波長/m無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/nm106102003904554925775976227605x1036x1034x104300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第二頁，共十頁，2022年，8月28日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。麥克斯韋方程組的微分形式：

?D＝?B＝0xE＝－(B/t)xH＝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）、電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(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、磁場聯(lián)系在一起，可以確定空間任一點(diǎn)的電、磁場。3、物質(zhì)方程

D＝E

B＝

H

J＝

E式中：＝0r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第三頁，共十頁，2022年，8月28日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)麥克斯韋方程組簡化為：?D＝0?B＝0xE＝－(B/t)xH＝(D/t)由此可推導(dǎo)出交變電磁場所滿足的典型的波動(dòng)方程：

2E－(1/2)(2E/t2)=02H－(1/2)(2H/t2)=0該式說明了交變電場和磁場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r1。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第四頁，共十頁，2022年，8月28日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

＝ExH表示單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于傳播方向上的單位面積的能量。對于一種沿Z方向傳播的平面光波，光場表示為：

E

=ex

E0cos(wt-kz)

H=hyH0cos(wt-kz)式中的ex

、hy是電場、磁場振動(dòng)方向上的單位矢量，其能流密度S為

S

＝szE0H0cos2(wt-kz)

S

＝sz(n/0c)(E0)2cos2(wt-kz)平均能流密度：S為S在光探測器的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的積分。光強(qiáng)：I＝S＝(1/2)(n/0c)(E0)2

＝(1/2)(/)1/2(E0)2

＝a(E0)2

在同一種介質(zhì)中，光強(qiáng)與電場強(qiáng)度振幅的平方成正比。第二部分光波的特性第五頁，共十頁，2022年，8月28日激光的基本原理及特性6、平面光波

光波中包含有電場矢量和磁場矢量，從波的傳播特性來看，它們處于同樣的地位，但是從光與介質(zhì)的相互作用來看，其作用不同。在通常應(yīng)用的情況下，磁場的作用遠(yuǎn)比電場弱，甚至不起作用。因此，通常把光波中的電場矢量E

稱為光矢量，把電場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。第二部分光波的特性第六頁，共十頁，2022年，8月28日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第七頁，共十頁，2022年，8月28日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)]2T=4n1n2/(n1+n2)2n1

n2n3R=[(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越大只對應(yīng)一種波長第二部分光波的特性第八頁，共十頁，2022年，8月28日激光的基本原理及特性（二）、光子學(xué)說光子學(xué)說的核心就是光是由一些以光速傳播的物質(zhì)單元－光子所組成。1、光子具有能量，而這種能量與一定的光頻率相對應(yīng)

=h2、光子具有動(dòng)量，而這種動(dòng)量與一定的光波長、一定的傳播方向相對應(yīng)

p=(h/)n0=hk3、光子具有質(zhì)量m，但光子靜態(tài)質(zhì)量為0，動(dòng)態(tài)質(zhì)量與能量的關(guān)系為

=mc24、光子具有兩種可能的獨(dú)立偏振狀態(tài)，對應(yīng)于光波場的兩個(gè)獨(dú)立偏振態(tài)。5、光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)。因此大量光子的集合，服從玻色－愛因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律。處于同一狀態(tài)的光子數(shù)目沒有限制，這是光子與其它服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布的離子（電子、質(zhì)子、中子等）的重要區(qū)別。第二部分光波的特性第九頁，共十頁，2022年，8月28日激光的基本原理及特性6、光子狀態(tài)的描述測不準(zhǔn)關(guān)系：位置與動(dòng)量不能同