物理光学与应用光学第一章.ppt

LOGOLOGO2013年6月15日光电工程学院主讲：主讲：徐徐 宁宁物理光学物理光学PhysicalopticsEmail:Office:教教4-1楼楼LOGO22013/2014(1)光电工程学院一、课程性质、目的和任务一、课程性质、目的和任务1.性质性质：专业基础课专业基础课后续课：后续课：激光原理、光纤通信原理与系统、光激光原理、光纤通信原理与系统、光电传感技术等电传感技术等2.目的目的：基本原理基本原理分析问题方法分析问题方法知识的应用知识的应用3.教学教学内容内容：电磁场基本知识电磁场基本知识光的干涉、衍射光的干涉、衍射晶体光学晶体光学光与物质的作用光与物质的作用课时分配课时分配48课时课时LOGO32013/2014(1)光电工程学院一、课程性质、目的和任务一、课程性质、目的和任务4.成绩评定成绩评定平时平时：（：（作业、到课率、答疑、课堂提问等）作业、到课率、答疑、课堂提问等）3030 期末考试期末考试：70705.学习方法学习方法掌握掌握重点重点 培养培养兴趣兴趣 独立独立思考思考 主动主动质疑质疑6.参考书参考书物理光学物理光学，刘晨刘晨 .合肥工业大学出版社合肥工业大学出版社.2007.2007年年 光学原理与应用光学原理与应用，廖延彪，廖延彪.电子工业出版社电子工业出版社.2006.2006年年 光学习题课教程光学习题课教程，郑植仁，郑植仁.哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社.2006.2006年年LOGO42013/2014(1)光电工程学院绪绪论论光学光学发展展简史史光学是一门研究光（电磁波）的光学是一门研究光（电磁波）的行为行为和和性质性质，以及，以及光光和和物物质质相互相互作用作用的物理学科。的物理学科。LOGO5绪绪论论181720192116世纪轴世纪轴远古远古萌芽萌芽几何光学几何光学现代光学现代光学过渡时期：过渡时期：直线传播占主导，波直线传播占主导，波动理论逐惭形成动理论逐惭形成量子光学量子光学波动光学波动光学光光光光学学学学LOGO62013/2014(1)光电工程学院绪 论光学发展5个时期：一、萌芽时期萌芽时期：光的直线传播、视觉和颜色认识，光的反射、折射和透镜反射镜的利用，对大气光学现象的探讨。二、几何光学时期几何光学时期：建立光的反射定律和折射定律，奠定几何 光学基础三、波动光学时期波动光学时期：干涉、衍射解释，波动光学的形成，光是 一种电磁波四、量子光学时期量子光学时期：光和物质相互作用，量子光学五、现代光学时期现代光学时期：傅里叶光学；光学信息处理；非线性光学LOGO7光电工程学院 A A、墨翟：、墨翟：在他和其弟子所著的在他和其弟子所著的 墨经墨经中，对中，对光现象有八条定性记载光现象有八条定性记载对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究，制造了简单的光对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究，制造了简单的光学仪器（如平面镜、凸面镜、凹面镜学仪器（如平面镜、凸面镜、凹面镜)。正确反映了光的正确反映了光的直线传播直线传播规律规律错误：人眼能发出错误：人眼能发出光线光线B B、欧几里德：、欧几里德：在其著作在其著作 光学光学一书中提出一书中提出触须触须学说：学说：代表人物和成代表人物和成代表人物和成代表人物和成就：就：就：就：、萌芽时期、萌芽时期墨翟（公元前墨翟（公元前468376年）年）欧几里德（古希腊，公元前330275年）LOGO8、几何光学时期、几何光学时期几何光学时期是光学发展的转折点，系统研究了光现象和光学仪器，几何光学时期是光学发展的转折点，系统研究了光现象和光学仪器，建立了直线传播定律、反射定律、折射定律；提出了费马原理、光程、光建立了直线传播定律、反射定律、折射定律；提出了费马原理、光程、光强、颜色等概念，并观察了棱镜光谱等较复杂的光现象，建立、巩固和发强、颜色等概念，并观察了棱镜光谱等较复杂的光现象，建立、巩固和发展了牛顿微粒学说。同时，波动理论开始盟芽。展了牛顿微粒学说。同时，波动理论开始盟芽。代表人物和成就：代表人物和成就：A、费马（法，、费马（法，16011665）：提出了几何光学的）：提出了几何光学的基本原理基本原理费马原理，由它可导出直线传播定费马原理，由它可导出直线传播定律、律、反射定律、折射定律和面镜、透镜成象规律。反射定律、折射定律和面镜、透镜成象规律。B、牛顿（英，、牛顿（英，16431727）：建立了光是微粒流）：建立了光是微粒流的微粒学说，进行了白光通过棱镜的实的微粒学说，进行了白光通过棱镜的实验，提出验，提出了光谱、光强、颜色等概念，观察并研究了牛顿环了光谱、光强、颜色等概念，观察并研究了牛顿环C、李普塞：、李普塞：1608，发明并制造了世界上第一台发明并制造了世界上第一台望远镜望远镜望远镜望远镜。D、冯特纳：发明并制造了世界上第一台、冯特纳：发明并制造了世界上第一台显微镜显微镜显微镜显微镜。粒子：Paticle 波：waveLOGO9、波动光学时期 建立了光的波动理论，建立了光的波动理论，园满解释了光的干涉、衍射和偏振现象；通过迈克尔园满解释了光的干涉、衍射和偏振现象；通过迈克尔逊干涉仪否定了逊干涉仪否定了“以太以太”的存在；提出并证实了光的本质就是电磁波的存在；提出并证实了光的本质就是电磁波C、菲涅耳（、菲涅耳（法法,17881827）：利用杨氏干涉原理补充惠更斯原理提出了惠更斯）：利用杨氏干涉原理补充惠更斯原理提出了惠更斯-菲涅耳菲涅耳原理，园满解释了光的直线传播定律和衍射现象。建立了菲涅耳公式。原理，园满解释了光的直线传播定律和衍射现象。建立了菲涅耳公式。在牛顿物理学中打开了第一个缺口，为此，他被人们称为在牛顿物理学中打开了第一个缺口，为此，他被人们称为“物理光学的缔造者物理光学的缔造者”。D、马吕斯（、马吕斯（法，法，17751812）：发现了光的偏振现象，建立了马吕斯定律，）：发现了光的偏振现象，建立了马吕斯定律，研究了偏振光的干涉。研究了偏振光的干涉。代表人物和成就：代表人物和成就：B、杨氏（英，、杨氏（英，17731829）：最先利用干涉原理解释白光下的薄膜颜色，设计并完）：最先利用干涉原理解释白光下的薄膜颜色，设计并完成成著名的杨氏双缝干涉实验，并第一次成功地测定了光的波长。提出了著名的杨氏双缝干涉实验，并第一次成功地测定了光的波长。提出了光是横波的假设。光是横波的假设。主要贡献：主要贡献：杨氏双缝实验，杨氏模量，视觉和颜色，医学，语言学，埃及象形字杨氏双缝实验，杨氏模量，视觉和颜色，医学，语言学，埃及象形字A、惠更斯（荷兰，、惠更斯（荷兰，16291695）：光的波动理论的创始人，提出了）：光的波动理论的创始人，提出了“光是光是以太以太中传中传播的波播的波动动”理论和理论和次波假设（惠更斯原理）。并园满解释了反射、折射定律和双折射现次波假设（惠更斯原理）。并园满解释了反射、折射定律和双折射现象。象。LOGO实物粒子与光一样实物粒子与光一样具有波具有波（Wave）、粒）、粒（Particle）二象性二象性10黑体辐射问题：黑体辐射问题：普朗克普朗克(德德,1858,18581947)1947)解释光电效应：解释光电效应：爱因斯坦爱因斯坦(美美,1879,18791955)1955)德布罗意（法，德布罗意（法，18921989）提出物质波假说，戴维孙）提出物质波假说，戴维孙与革末的电子衍射实验证实电子具有波动性与革末的电子衍射实验证实电子具有波动性X X射线散射实验：射线散射实验：康普顿康普顿(美美,18921962)发现经典电磁理论在研究光与物质的相互作用时的缺点，发现经典电磁理论在研究光与物质的相互作用时的缺点，建立了光的量子理建立了光的量子理论，论，园满解释了黑体辐射、光电效应和康普顿效应现象；提出了光的波粒二园满解释了黑体辐射、光电效应和康普顿效应现象；提出了光的波粒二象性。象性。、量子光学时期、量子光学时期LOGO112013/2014(1)光电工程学院、现代光学时期、现代光学时期自自19601960年梅曼（美，年梅曼（美，1927192720072007）制成第一台红宝石激光器，光学进入了新的发）制成第一台红宝石激光器，光学进入了新的发展阶段，激光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光脑的设想、红外展阶段，激光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光脑的设想、红外波段的应用，非线性光学等，派生了许多崭新的分支学科。波段的应用，非线性光学等，派生了许多崭新的分支学科。LOGO122013/2014(1)光电工程学院绪 论19071907年年:迈克尔逊，美国，测量光速19021902年年：塞曼,荷兰,发现磁力对光的塞曼效应19191919年年：斯塔克，德国，发现正离子射线的多普勒的效应和光 线在电场中的分裂19211921年年：爱因斯坦，美籍德裔，阐明光电效应原理19231923年年：密立根，美国，测量电子电荷，并研究光电效应19241924年年：西格班，瑞典，研究X射线光谱学19301930年年：拉曼，印度，研究光的散射，发现拉曼效应LOGO132013/2014(1)光电工程学院绪 论19531953年年：塞尔尼克,荷兰,发明相位差显微镜19551955年年：兰姆,美国,研究氢原子光谱的精细结构19581958年年：塔姆、弗兰克、切伦科夫，苏联,发现并解释切伦科夫效应19641964年年：汤斯，美国，研究根据微波激射器和激光器的原理构 成振荡器和放大器 巴索夫，前苏联，用于产生激光光束的振荡器和放大 研究工作。普洛霍罗夫，前苏联，在量子电子学中的研究工作导 致微波激射器和激光器的制作。LOGO142013/2014(1)光电工程学院绪 论1971D.加波英国全息摄影术的发明及发展19711971年年：加波，英国，全息摄影术的发明及发展19811981年年：布洛姆伯根、肖洛，美国激光光谱学与非线性光学 的研究19971997年年：朱棣文，美国；塔诺季，法国；菲利浦斯，美国；激 光冷却和陷俘原子20052005年年：罗伊格劳伯，美国，对光学相干的量子理论的贡献 约翰霍尔，美国，特奥多尔亨施德国对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献19661966年年：卡斯特莱，法国发现并发展光学方法以研究原子的能级的贡献20092009年：年：高锟，光在纤维中的传输以用于光学通信 博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器 （CCD）图像传感器LOGO152013/2014(1)光电工程学院绪 论光学研究三个方面：光学研究三个方面：发光的发射（光源）固体发光、电光源、激光、固体发光、电光源、激光、气体放电、化学光源气体放电、化学光源电致发光、半导体光源电致发光、半导体光源（黑体辐射、激光原理、（黑体辐射、激光原理、光导光导体物理）体物理）LOGO传 光的传输（光与物质相光与物质相互作用）互作用）经典光学：几何光学，物理光学、分子光经典光学：几何光学，物理光学、分子光学、近代光学（激光问世后）：学、近代光学（激光问世后）：1.1.大空间范围大空间范围干涉：相干光学、统计光学、薄膜光学干涉：相干光学、统计光学、薄膜光学衍射：傅立叶光学、衍射光学、二元光学衍射：傅立叶光学、衍射光学、二元光学偏振：晶体光学、偏振光学偏振：晶体光学、偏振光学其它：矩阵光学、激光束光学、海洋光学、其它：矩阵光学、激光束光学、海洋光学、大气光学、生理光学等大气光学、生理光学等2.2.小空间范围小空间范围导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、近场近场3.3.大光能量大光能量非线性光学、强光光学、自适应光学非线性光学、强光光学、自适应光学4 4.非均匀介质非均匀介质非均匀介质光学、散射光学、组织光学非均匀介质光学、散射光学、组织光学LOGO172013/2014(1)光电工程学院绪 论收收 光的探测光的探测 （光探测器）（光探测器）照相底片（光化学作照相底片（光化学作用）、眼睛（光生理用）、眼睛（光生理效应）、光电器件效应）、光电器件（光电效应）、热释（光电效应）、热释电器件（电热效应）电器件（电热效应）LOGO182013/2014(1)光电工程学院绪 论传输介质折射率传输介质折射率 n n（左右光学传播规律的基本参量）左右光学传播规律的基本参量）决定光线传播的方向决定光线传播的方向n n常量常量 各向同性介质各向同性介质 直线传播直线传播 各项异性各项异性 双折射双折射引起折引起折射率变化因素：射率变化因素：波长波长外场（磁、电、声、热等）外场（磁、电、声、热等）时间（非稳态）时间（非稳态）n n变量变量 曲线传播曲线传播光波的波长光波的波长（）光与物质作用，其效应与波长有关；传输特性与波长有关光与物质作用，其效应与波长有关；传输特性与波长有关LOGO192013/2014(1)光电工程学院绪 论光波能量光波能量能量低能量低 经典光学基本规律经典光学基本规律能量高能量高 非线性光学非线性光学光的偏振光的偏振 衍射效率衍射效率 干涉效率干涉效率 光与物质作用光与物质作用光的应用光的应用1 1、光学观测仪器、光学观测仪器2 2、光学检测、计量仪器和光学检测方法、光学检测、计量仪器和光学检测方法3 3、光学加工、光学医疗系统、光学加工、光学医疗系统4 4、信息传输、信息传输LOGO202013/2014(1)第一章第第1 1章章 光在各向同性介质中的传输特性光在各向同性介质中的传输特性本章本章重点重点和和难点难点：1.1.折射率的概念折射率的概念2.2.平面波、球面波、柱面波、高斯光束平面波、球面波、柱面波、高斯光束特性特性及及数学表示数学表示3.3.相速度、群速度相速度、群速度概念概念4.4.光波场的空间频率光波场的空间频率5.5.光的光的偏振偏振态及表示态及表示6.6.菲涅耳公式（反射和透射率、反射和透射菲涅耳公式（反射和透射率、反射和透射 及及 特性）特性）相位相位偏振偏振LOGO212013/2014(1)第一章1.1.1 1.1.1 光波与电磁波光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程麦克斯韦电磁方程 1.1.电磁波谱电磁波谱按频率按频率(或波长或波长)的次序排列成谱。的次序排列成谱。光学区域光学区域包括红外线、可见光和紫外线，光谱区域波长范围约包括红外线、可见光和紫外线，光谱区域波长范围约从从1mm1mm到到10 nm10 nm或（或（10101212-10-101616HzHz）远红外远红外(1mm(1mm2020 m)m)红外线红外线(1mm(1mm0.760.76 m)m)中红外中红外(20(20 m m 1.51.5 m)m)近红外近红外(1.5(1.5 m m 0.760.76 m)m)1mm1mm到到10 nm10 nm10101212-10-101616HzHzLOGO222013/2014(1)第一章红色红色(760nm650nm)橙色橙色(650nm590nm)黄色黄色(590nm570nm)可见光可见光(760nm(760nm380n380nm)m)绿色绿色(570nm490nm)青色青色(490nm460nm)蓝色蓝色(460nm430nm)紫色紫色(430nm380nm)近紫外近紫外(380nm300nmm)紫外线紫外线(400nm(400nm10n10nm)m)中紫外中紫外(300nm200nm)远红外远红外(200nm10nm)LOGO232013/2014(1)第一章LOGO242013/2014(1)第一章2.2.麦克斯韦电磁方程麦克斯韦电磁方程由麦克斯韦电磁方程，结合具体的边界条件及初始条件，由麦克斯韦电磁方程，结合具体的边界条件及初始条件，可定量研究光的各种传输特性。可定量研究光的各种传输特性。D D:电位移矢量电位移矢量 ：自由电荷体密度：自由电荷体密度E E：电场强度电场强度B B：磁感应强度磁感应强度H H：磁场强度磁场强度 J J:传导电流密度传导电流密度电场的高斯定律：电场可以是有源场；电力电场的高斯定律：电场可以是有源场；电力线必须从正电荷出发终止于负电荷。线必须从正电荷出发终止于负电荷。磁通连续定律：磁场是无源场；通过闭合面的磁通磁通连续定律：磁场是无源场；通过闭合面的磁通量等于零，磁力线是闭合的。量等于零，磁力线是闭合的。法拉第电磁感应定律：变化磁场产生感应电场法拉第电磁感应定律：变化磁场产生感应电场（涡旋场），其电力线是闭合的。（涡旋场），其电力线是闭合的。安培全电流定律：传导电流和位移电流都对磁场安培全电流定律：传导电流和位移电流都对磁场的产生有贡献。的产生有贡献。LOGO252013/2014(1)第一章3.3.物质方程物质方程描述介质特性对电磁场影响的方程描述介质特性对电磁场影响的方程 物质方程物质方程介电常数介电常数 =0 0 r r ，0 0 真空中介电常数真空中介电常数，r r相对介电常数相对介电常数，描述介质的描述介质的电学性质电学性质。介质磁导率介质磁导率，0 0真空中磁导率真空中磁导率，r r相对磁导率相对磁导率,描述介质描述介质的的磁学性质磁学性质。介质的光学特性是均匀各向同性介质的光学特性是均匀各向同性：、是与空间位置和方向无是与空间位置和方向无关的常数关的常数介质的光学特性是各向异性介质的光学特性是各向异性：、是张量。是张量。LOGO262013/2014(1)第一章 物质方程给出了媒质的电学和磁学性质，它们是光与物物质方程给出了媒质的电学和磁学性质，它们是光与物质相互作用时媒质中大量分子平均作用的结果。质相互作用时媒质中大量分子平均作用的结果。麦克斯韦波动方程组麦克斯韦波动方程组物质方程物质方程描述时变场情况下电磁场的普遍规律描述时变场情况下电磁场的普遍规律LOGO272013/2014(1)第一章4 4波动方程波动方程麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，在空间传播的电麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，在空间传播的电磁波应满足描述这种波传播规律的波动方程磁波应满足描述这种波传播规律的波动方程假设：假设：1 1）介质均匀）介质均匀 2 2）无源场（）无源场（=0=0，J=0J=0）LOGO282013/2014(1)第一章我们得：同理其中，电磁场在介质中的传播速度其中，电磁场在介质中的传播速度真空中的真空中的传播速度传播速度：引入光的引入光的折射率折射率：LOGO292013/2014(1)第一章LOGO302013/2014(1)第一章5.光电磁场的能流密度光电磁场的能流密度电磁场的能量定理电磁场的能量定理假设：介质是绝缘体，假设：介质是绝缘体，=0，j=0。LOGO312013/2014(1)第一章定义定义 玻印廷矢量玻印廷矢量 S：S=EHE、H、S三者矢量方向满足右手螺旋定则三者矢量方向满足右手螺旋定则电磁场总能量密度电磁场总能量密度w=we+wm电磁场能量定律的微分形式：电磁场能量定律的微分形式：上式体积分：上式体积分：由高斯定理：由高斯定理：包围体积：包围体积v的整个表面的整个表面d：是：是 上的面积元上的面积元n:d 的单位法向矢量的单位法向矢量LOGO322013/2014(1)第一章电磁场能量定律的积分形式电磁场能量定律的积分形式物理意义物理意义：体积：体积V中单位时间内总电磁能量的减少等于从中单位时间内总电磁能量的减少等于从V的整的整个表面个表面 流出的电磁能量。流出的电磁能量。光强度：光强度：注注：在某些场合，只考虑某一种介质的光强，只关心光强的相：在某些场合，只考虑某一种介质的光强，只关心光强的相对值，因而省略比例系数，对值，因而省略比例系数，光强光强写成写成若考虑的是不同介质中的光强，比例系数不能省略若考虑的是不同介质中的光强，比例系数不能省略LOGO332013/2014(1)第一章1.1.2 1.1.2 几种特殊形式的光波几种特殊形式的光波电磁场满足的波动方程：电磁场满足的波动方程：边界条件的不同，方程的解边界条件的不同，方程的解平面光波平面光波 1.平面光波平面光波光与介质的相互作用来看，磁场的作用远比电场弱。通常光与介质的相互作用来看，磁场的作用远比电场弱。通常把光波中的电矢量把光波中的电矢量E称为称为光矢量光矢量，电场，电场E的振动称为的振动称为光振动光振动。球面光波球面光波柱面光波柱面光波高斯光束高斯光束LOGO342013/2014(1)第一章1）波动方程的平面光波解波动方程的平面光波解在直角坐标系：由波动方程求解得：在直角坐标系：由波动方程求解得：当当(z-vt)=c的点处于相同的振动状态。如图的点处于相同的振动状态。如图ftzt=0t1t2v t1f1是沿是沿z轴的正方向传播，轴的正方向传播，f2是沿是沿z轴的负方向传播。轴的负方向传播。LOGO352013/2014(1)第一章波振面波振面：将某一时刻振动相位相同的点连结起来，组成的曲面。：将某一时刻振动相位相同的点连结起来，组成的曲面。平面光波平面光波：波振面垂直与传播方向的平面。：波振面垂直与传播方向的平面。xyzkxyzkLOGO362）单色平面波单色平面波三角函数形式：三角函数形式：固定某一时刻固定某一时刻t=t0，波在空间的分布：，波在空间的分布：z固定空间某点固定空间某点z=z0,随时间周期振动：随时间周期振动：表示波的时间周期性空间周期：空间频率：1/空间角频率：k=2/表示波的空间周期性时间周期：T时间频率:=1/T角频率:=2/TLOGO372013/2014(1)第一章复数表示：复数表示：光强：光强：复振幅：复振幅：场振动的振幅和相位随空间的变化场振动的振幅和相位随空间的变化复振幅复振幅空间空间平面简谐波沿任一波矢平面简谐波沿任一波矢k方向传播，则方向传播，则LOGO382013/2014(1)第一章相应的共轭光波复振幅为（复振幅之间的复数共轭关系）：相应的共轭光波复振幅为（复振幅之间的复数共轭关系）：xzOk-k图1-3 平面波及其相位共轭波LOGO392013/2014(1)第一章 2)球面波球面波等相面以点光源为中心，随着距离的增大逐渐扩展的同心球面等相面以点光源为中心，随着距离的增大逐渐扩展的同心球面波阵面图1-4 球面光波示意图r光线满足波动方程，在球坐标系中为满足波动方程，在球坐标系中为LOGO402013/2014(1)第一章其解为其解为简谐球面波数学表示简谐球面波数学表示3）柱面波柱面波一个各向同性的无限长线光源，一个各向同性的无限长线光源，向外反射的波为柱面波，等相面以线光向外反射的波为柱面波，等相面以线光源为中心轴，随距离增大而逐渐展开的源为中心轴，随距离增大而逐渐展开的同轴圆柱面。同轴圆柱面。zvvr（三角函数）(复数)（复振幅）LOGO412013/2014(1)第一章其解为其解为 4）高斯光束高斯光束一种一种振幅振幅和和等相面等相面都在变化的高斯球面光束（激光器产生的光束）都在变化的高斯球面光束（激光器产生的光束）其解为其解为其中：其中：LOGO422013/2014(1)高斯光束的基本特性：高斯光束的基本特性：1/e10r0z基模高斯光束在横截面内的光电场振幅基模高斯光束在横截面内的光电场振幅分布按照分布按照高斯函数高斯函数的规律从中心的规律从中心(即传播即传播轴线轴线)向外平滑地下降向外平滑地下降光斑半径光斑半径w(z)光斑半径随着坐标光斑半径随着坐标z按双曲线按双曲线的规律扩展的规律扩展高斯光束的束腰半径高斯光束的束腰半径w0R(z):与传输轴线相交与与传输轴线相交与z点的点的高斯光束等相位面（球面）的高斯光束等相位面（球面）的曲率半径曲率半径 R(z)R(z)激光束发散角激光束发散角 基模（基模（TEM00）:LOGO432013/2014(1)第一章其中其中f:高斯光束的共焦参数高斯光束的共焦参数（瑞利长度）（瑞利长度）基模高斯光束场的相位因子基模高斯光束场的相位因子kz:描述了高斯光束的几何相移描述了高斯光束的几何相移高斯光束在空间行进距离高斯光束在空间行进距离z处、相对于几何相移处、相对于几何相移的附加相移的附加相移当当z时，时，R(z)z表明束腰无限远处的等相面为平面；表明束腰无限远处的等相面为平面；LOGO442013/2014(1)第一章当当z=f时，时，R(z)=2f，达极小值；，达极小值；当当0 z f 时，时，R(z)2f，表明等相面的曲率中心在（，表明等相面的曲率中心在（-，-f)区间；区间；当当z f时时,z R(z)z+f，表明等相面的曲率中心在（，表明等相面的曲率中心在（-f，0)区间。区间。基模高斯光束既非平面波，又非均匀球面波，可以看作是一基模高斯光束既非平面波，又非均匀球面波，可以看作是一种非均匀的球面波，其等相面是曲率中心不断变化的球面，振幅和种非均匀的球面波，其等相面是曲率中心不断变化的球面，振幅和强度在横截面内保持高斯分布。强度在横截面内保持高斯分布。LOGO452013/2014(1)第一章1.1.3 1.1.3 光波场的时域频率谱光波场的时域频率谱1、复色波复色波是指某光波由若干单色光波组合而成（它包是指某光波由若干单色光波组合而成（它包含有多种频率成分）含有多种频率成分）光波场在时间域内的变化表示为光波场在时间域内的变化表示为E(t)2、频率谱频率谱由傅里叶变换，它可以展成如下形式：由傅里叶变换，它可以展成如下形式：一个时域光波场一个时域光波场E(t)可以在频率域内通过它的频谱描述可以在频率域内通过它的频谱描述.随时间变化的光波场振动随时间变化的光波场振动E(t)，由许多单频成分简谐振荡叠加，由许多单频成分简谐振荡叠加各成分相应的振幅为各成分相应的振幅为:LOGO462013/2014(1)第一章一般一般E()为复数，又可表示为为复数，又可表示为模模：E()辐角辐角：（）几种光波场几种光波场E(t)的频谱分布：的频谱分布：（1）无限长时间的等幅振荡）无限长时间的等幅振荡在时域区表达式：在时域区表达式：频谱：频谱：功率谱为：功率谱为：E(t)E0 E()2 E0 2 0LOGO 频谱宽度频谱宽度：最靠近：最靠近 0的两个强度为零的点所对应的频率的两个强度为零的点所对应的频率 1和和 2之差的一半为频谱宽度之差的一半为频谱宽度,=1/T47（2）持续有限时间的等幅振荡）持续有限时间的等幅振荡功率谱功率谱：时域区：时域区：tE(t)T频谱：频谱：E()2T2 1 2 0中心频率中心频率:0LOGO48(3)衰减振荡衰减振荡时域：时域：频谱：频谱：功率谱：功率谱：tE(t)E()2 0 1 21/2衰减振荡可视为无限多个振幅不同，频率连续衰减振荡可视为无限多个振幅不同，频率连续变化的简谐振荡的叠加变化的简谐振荡的叠加频谱宽度频谱宽度:最大强度一半所对应的两个频率最大强度一半所对应的两个频率 1和和 2之差之差LOGO492013/2014(1)第一章(4)准单色光准单色光例：表观频率为例：表观频率为 0振动，振幅为高斯函数的准单色光波：振动，振幅为高斯函数的准单色光波：b)对于衰减振荡，若对于衰减振荡，若 很小，频谱很窄很小，频谱很窄 a)持续有限时间的等幅振荡，如果其振荡持续时间很长，以致持续有限时间的等幅振荡，如果其振荡持续时间很长，以致于于1T 0，E()的主值区间的主值区间(0-1T)(0+1T)很窄很窄 在以下条件可认为接近于单色光：在以下条件可认为接近于单色光：频谱分布：频谱分布：LOGO502013/2014(1)第一章功率谱：功率谱：高斯型准单色光的频谱仍是高斯型，中心频率为高斯型准单色光的频谱仍是高斯型，中心频率为 0频谱宽度：最大强度频谱宽度：最大强度1/e处所对应的两个频率处所对应的两个频率 1和和 2之差之差LOGO512013/2014(1)第一章1.1.4相速度和群速度相速度和群速度相速度相速度：等相面的传播速度：等相面的传播速度v(r)，简称相速度。方向垂直于，简称相速度。方向垂直于等相面。等相面。1.单色光波的速度单色光波的速度电场：电场：等相位面满足等相位面满足上式两边对时间求导，得上式两边对时间求导，得 其值为其值为当当r0垂直于等相面垂直于等相面此时最小值此时最小值LOGO522013/2014(1)第一章波矢为波矢为k的单色平面波相速度的单色平面波相速度相速度不是光能量的传播速度相速度不是光能量的传播速度当当相速度大于真空中的光速度。（在反常色散区）相速度大于真空中的光速度。（在反常色散区）2.复色波的速度复色波的速度 例：两色波的光电场例：两色波的光电场 若：若：，且，且则则复色波的光电场是所包含各个单色光波电场的叠加，即复色波的光电场是所包含各个单色光波电场的叠加，即LOGO532013/2014(1)第一章因此：zE1 1E2 2LOGO542013/2014(1)第一章1）复色波的相速度）复色波的相速度2）复色波的群速度）复色波的群速度等振幅面的位置对时间的变化率，即为等振幅面的传播速度：等振幅面的位置对时间的变化率，即为等振幅面的传播速度：LOGO552013/2014(1)第一章正色散正色散负色散负色散复色波是由许多单色波组成，只有复色波的频谱宽度复色波是由许多单色波组成，只有复色波的频谱宽度很小时，很小时，才能得到稳定的波群。才能得到稳定的波群。波群在介质中传播时，由于介质的色散，不同的单色波的传播速波群在介质中传播时，由于介质的色散，不同的单色波的传播速度不同，随着传播的推移，其形状与初始不同。由于不存在不变的度不同，随着传播的推移，其形状与初始不同。由于不存在不变的波群，其群速度概念无意义。介质的色散很小，群速度概念有意义波群，其群速度概念无意义。介质的色散很小，群速度概念有意义在群速度有意义时，它是光波能量的传播速度在群速度有意义时，它是光波能量的传播速度LOGO562013/2014(1)第一章zxo1.1.5 1.1.5 光波场的空间频率与空间谱（光波场的空间频率与空间谱（p176p176）1.空间频率空间频率单色平面波光波场的表示：单色平面波光波场的表示：空间频率空间频率：表示光波场沿波矢方向每增加单位长度，光波场增：表示光波场沿波矢方向每增加单位长度，光波场增加的周期数，即加的周期数，即注注：光波的空间频率是观察光波的空间频率是观察的函数的函数方向方向例：光沿例：光沿z轴正方向传播。轴正方向传播。1）在波的传播方向上，空间频率是）在波的传播方向上，空间频率是:2）在方向上观察，空间频率是）在方向上观察，空间频率是:k rLOGO572013/2014(1)第一章 x光沿光沿k矢量（在矢量（在XOY平面）方向传播的平面波：平面）方向传播的平面波：xk yo y 波平面1）k方向的空间频率方向的空间频率2）x方向的空间频率方向的空间频率3）y方向的空间频率方向的空间频率同时同时LOGO582013/2014(1)第一章光沿光沿k矢量沿任意空间方向传播的平面波：矢量沿任意空间方向传播的平面波：结论结论：一个平面光波的空间传播特性可以用空间频率参量描述。：一个平面光波的空间传播特性可以用空间频率参量描述。研究的光波沿着传播方向的空间周期分布时，每一个空间频率对研究的光波沿着传播方向的空间周期分布时，每一个空间频率对应与一定波长的单色波。应与一定波长的单色波。波数波数k与频率与频率 的关系：的关系：LOGO592013/2014(1)第一章例：振幅为A，波长为 的单色平面波的方向余弦为试求它在xy平面上的复振幅及空间频率。xy平面上的复振幅：LOGO602013/2014(1)第一章 2.空间频率谱空间频率谱 光波场在光波场在xy平面上的复振幅分布：平面上的复振幅分布：传播方向的方向余弦为：传播方向的方向余弦为：随fx、fy变化分布，称为 的空间频率。LOGO612013/2014(1)第一章1.1.6光波的横波性、偏振态及其表示光波的横波性、偏振态及其表示 1.平面光波的横波特性平面光波的横波特性 设平面波的电场和磁场为设平面波的电场和磁场为代入麦克斯韦方程代入麦克斯韦方程得：各向同性介质，各向同性介质，D/E，有，有非磁铁性介质，非磁铁性介质，B=H，有，有平面光波的电场矢量和磁场垂直于波矢方向，平面波是横电磁波。平面光波的电场矢量和磁场垂直于波矢方向，平面波是横电磁波。LOGO622013/2014(1)第一章由前几式，可得由前几式，可得因此，因此，k、D(E)、B(H)三矢量构成右手螺旋直角坐标系统。三矢量构成右手螺旋直角坐标系统。又又所以所以各项同性介质各项同性介质在各向同性介质中，平面光波的波矢方向在各向同性介质中，平面光波的波矢方向(k)与能流方向与能流方向(S)相同相同又E和和H的数值之比为正实数，的数值之比为正实数，E和和H同相位。同相位。LOGO632013/2014(1)第一章2.平面光波的偏振特性平面光波的偏振特性（1）光波的偏振特性：光波的偏振特性：（b）在垂直传播方向的平面内，光振动方向相对光的传）在垂直传播方向的平面内，光振动方向相对光的传播方向不对称性播方向不对称性（a a）平面光波是）平面光波是 电磁波电磁波横横光矢量振动方向与光波传播方向垂直光矢量振动方向与光波传播方向垂直（2）光波的偏振态）光波的偏振态椭圆偏振椭圆偏振电场矢量为电场矢量为线偏振线偏振圆偏振圆偏振t=Tt=Tt=TLOGO64将其表示为沿将其表示为沿x、y方向振动的两个独立分量的线性组合，即方向振动的两个独立分量的线性组合，即ExEy两式中消去变量两式中消去变量t,经运算得：经运算得：（1）线偏振光）线偏振光=m(m=0,1,2,)时，椭圆退化为一条直线，称线偏振光。有时，椭圆退化为一条直线，称线偏振光。有m为零或偶数时，光振动方向在为零或偶数时，光振动方向在1、3象限内象限内m为奇数时，光振动方向在为奇数时，光振动方向在2、4象限内象限内LOGO652013/2014(1)第一章线偏振光的复数表示：线偏振光的复数表示：t2t1ExEy0LOGO662013/2014(1)第一章（2）圆偏振光当当Ex、Ey的振幅相等（的振幅相等（E0 x=E0y=E0），相位差），相位差 =m/2(m=1,3,5,)时，椭圆退化为圆，称圆偏振光。有时，椭圆退化为圆，称圆偏振光。有圆偏振光的复数表示：圆偏振光的复数表示：t2ExEy0Ex超前Ey/2t1LOGO（2 2）圆偏振光）圆偏振光LOGO682013/2014(1)第一章光矢量在垂直传播方向的平面内大小和方向都在改变，光矢量在垂直传播方向的平面内大小和方向都在改变，它的末端轨迹为椭圆。椭圆的长、短半轴和取向与它的末端轨迹为椭圆。椭圆的长、短半轴和取向与Ex、Ey的振幅和相位差有关。的振幅和相位差有关。2m =(2m+1)右旋椭圆偏振光右旋椭圆偏振光(2m-1)=2m 左旋椭圆偏振光左旋椭圆偏振光椭圆偏振光的复数表示：椭圆偏振光的复数表示：LOGO（3 3）椭圆偏振光）椭圆偏振光 LOGO702013/2014(1)第一章