光的電磁波理論課件

1.1

光的電磁理論麥克斯韋方程組電磁波與光波光波在各向同性介質(zhì)中傳播速度及折射率電磁波的橫波性光波的能量分布－光強(qiáng)光源單色光波及其描述返回第1章9/25/2023第1章 光的干涉11.1.1

麥克斯韋方程組其中返回方程（2）隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)將激發(fā)渦旋電場(chǎng)；方程（4）隨時(shí)間變化的電場(chǎng)將激發(fā)渦旋磁場(chǎng)；9/25/2023第1章 光的干涉21.1.2

電磁波與光波電磁波波動(dòng)方程可見電磁波包括電場(chǎng)波和磁場(chǎng)波；兩種波具有相同的速度真空中波速為光波：是某一波段的電磁波變化電場(chǎng)/磁場(chǎng)變化磁場(chǎng)/電場(chǎng)電磁波9/25/2023第1章 光的干涉3電磁波譜10/2/2023返回第1章4光的干涉光波是某一波段的電磁波10/2/2023返回第1章5光的干涉紫外光

λ:5--400nm

ν:1015—1017hz 人眼不可見，可用熒光屏、照相乳膠、光電管來(lái)探測(cè)，能量高，殺菌力、穿透力強(qiáng)?？梢姽?/p>

λ:390—760nm

ν:7.5×1014-4.1×1015hz人眼可見?？梢姽獾念伾?人眼對(duì)光的感覺(jué))與光的頻率(或真空中的波長(zhǎng))有關(guān)，光的顏色與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。紅外光

λ:760—6*1015nm

ν:1012—1014hz 人眼不可見，有顯著的熱效應(yīng)，可用紅外光電器件顯示紅外圖象（夜視儀），也是光纖通訊的窗口波段。光譜

光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的分布，不同光源有不同的光譜。借助于光譜可對(duì)物質(zhì)進(jìn)行成分分析。光的顏色與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系顏色中心頻率/Hz中心波長(zhǎng)/nm波長(zhǎng)范圍/nm紅4.5×1014660760-622橙4.9×1014610622-597黃5.3×1014570597-577綠5.5×1014550577-492青6.5×1014460492-450藍(lán)6.8×1014440450-435紫7.3×1014410435-39010/2/2023第1章 光的干涉61.1.3

光波在各向同性介質(zhì)中傳播速度及折射率光在各向同性介質(zhì)中的傳播速度－相速：相位面移動(dòng)的速度，與介質(zhì)的折射率有關(guān)--變慢。εr

μr與光的頻率、介質(zhì)的種類有關(guān)。光在介質(zhì)中的折射率大于1，也有小于1？？？光在介質(zhì)中的頻率與周期保持不變，與振源相同光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)與介質(zhì)的折射率有關(guān)--變短。10/2/2023第1章返回7光的干涉1.1.4

電磁波的橫波性電磁波是橫波由麥克斯韋方程出發(fā)可以證明，E矢量、H矢量、都和傳播方向K垂直。光學(xué)中用電場(chǎng)波來(lái)表示光波，E稱為光矢量就能量的傳輸而言，光波中的電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H是同等重要的。實(shí)驗(yàn)證明,光與物質(zhì)相互作用時(shí)，電場(chǎng)具有直接作用。引起眼睛視覺(jué)效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng)（感光）光對(duì)導(dǎo)體的作用（對(duì)電子作用）10/2/2023第1章返回8光的干涉由于光的頻率極高，對(duì)光信號(hào)的測(cè)量，一般探測(cè)器只能測(cè)量到測(cè)量時(shí)間內(nèi)的平均值。＜I＞－A2波動(dòng)光學(xué)中主要討論光波的相對(duì)強(qiáng)度，常將光矢量振幅的平方稱為光強(qiáng)。I＝A21.1.5

光波的能量分布－光強(qiáng)電磁波的能量密度電磁場(chǎng)中單位體積內(nèi)電磁場(chǎng)的能量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與波電磁波的能流密度－玻印亭矢量的傳播方向垂直的單位面積的能量。光強(qiáng)I－玻印亭矢量的大小光強(qiáng)I與光矢量E的平方成正比；10/2/2023第1章返回9光的干涉1.1.6

光源原子能級(jí)及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射光波波列長(zhǎng)L＝τc不相干(不同原子發(fā)的光)∵∴光源的最基本發(fā)光單元是分子或原子。普通光源：自發(fā)輻射(隨機(jī)、獨(dú)立)不相干(同一原子先后發(fā)的光)3.

激光光源：受激輻射●E2●●h

21E1h

21相干●●h

21光輻射持續(xù)時(shí)間τ-10-8s10/2/2023第1章返回10光的干涉1.1.7

單色光波及其描述10/2/2023第1章返回11光的干涉光波是電磁波，可以用描述電磁波波函數(shù)來(lái)描述光波的各種形態(tài)，這些波函數(shù)是滿足一定邊界條件下的麥克斯韋方程的解。在光學(xué)中常遇到的單色平面光波和單色球面光波（理想模型），可以看作是方程的特解，任何形式的光波（實(shí)際）都可以看作是這些特解的某種線性組合。什么是單色光波？單色光波的物理描述光波的圖像描述什么是單色光波？單色光波：具有單一頻率的光波。嚴(yán)格的單色光波必須滿足下面四個(gè)條件空間各點(diǎn)電、磁場(chǎng)矢量以單一的頻率作簡(jiǎn)諧振動(dòng)；空間各點(diǎn)的光波振幅不隨時(shí)間變化，形成一個(gè)穩(wěn)定的振幅空間分布；初始位相的空間分布與時(shí)間無(wú)關(guān)；光波的波列在空間上無(wú)限延伸、光源發(fā)光時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)。若波列是有限長(zhǎng)的，則它在行進(jìn)過(guò)程中，空間各點(diǎn)的振幅、位相分布必定會(huì)隨時(shí)間變化；若光源發(fā)光時(shí)間是有限的，則所發(fā)波列經(jīng)傅里葉變換后可發(fā)現(xiàn)，這列光波可以看作是由不同頻率的、無(wú)限長(zhǎng)的平面單色光波的

線性組合而成的。繼續(xù)10/2/2023第1章 光的干涉12繼續(xù)討論嚴(yán)格的單色光波是不存在。任何光源的發(fā)光過(guò)程總是有限的；從微觀角度看，發(fā)光過(guò)程是斷斷續(xù)續(xù)的；當(dāng)波列的持續(xù)時(shí)間比擾動(dòng)的周期長(zhǎng)得多時(shí)，可以將該波列當(dāng)作單色光波來(lái)處理；返回λ0ΔλI任何復(fù)色光波（一個(gè)中心波長(zhǎng)λ0和一定寬帶Δλ）都是由單色光

I0波組合而成的。0I

/2λ譜線寬度越小，單色性越好；譜線寬度與原子的發(fā)光持續(xù)時(shí)間、原子間碰撞及原子熱運(yùn)動(dòng)等有關(guān)。10/2/2023第1章 光的干涉13單色光波的物理描述(附錄1.2)單色光波平面單色光波-

-最簡(jiǎn)單、最基本、最重要就是平面簡(jiǎn)諧電磁波；任何光波都可以看成為不同頻率、不同方向傳播的平面單色光波的疊加；繼續(xù)一列沿z軸正方向傳播的平面單色光波可用下列波函數(shù)表示一列沿k方向傳播的平面光波可用下列波函數(shù)表示(三角函數(shù))(復(fù)振幅)10/2/2023第1章 光的干涉14繼續(xù)討論單色球面光波較簡(jiǎn)單且重要；從點(diǎn)光源發(fā)出的光波在均勻各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)，就形成球面波；從點(diǎn)光源向四面?zhèn)鞑?發(fā)散)的單色球面光波可用下列波函數(shù)(三角函數(shù))表示(復(fù)振幅)匯聚單色球面光波可用下列波函數(shù)(三角函數(shù))表示(復(fù)振幅)10/2/2023返回第1章15光的干涉光波的圖像描述--幾何描述波面(波陣面