第十章 光的电磁理论基础.ppt

光光 学学 原原 理理沈常宇沈常宇浙江省精品课程本本 章章 主主 要要 内内 容容第一节第一节 光的电磁性质光的电磁性质1.1 1.1 光学发展史光学发展史主线：主线：微粒说与波动说的交锋（光的本质的探讨史）微粒说与波动说的交锋（光的本质的探讨史）1717世纪世纪 波动说雏形波动说雏形1818世纪世纪 微粒说占压倒性优势微粒说占压倒性优势1919世纪世纪 光的电磁理论光的电磁理论格里马第，波义尔，胡格里马第，波义尔，胡克，惠更斯克，惠更斯牛顿牛顿麦克斯韦，赫兹麦克斯韦，赫兹1.2 1.2 光在电磁波中的位置光在电磁波中的位置 1.3.1 1.3.1 Maxwell方程组方程组积分形式积分形式高斯定理：涡旋定理：法拉第定理：后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。1.3.2 1.3.2 Maxwell方程组方程组微分形式：微分形式：（101）（102）（103）（104）揭示了电流、电场、磁揭示了电流、电场、磁场相互激励的性质场相互激励的性质1.4 1.4 物质方程物质方程 1.5.1 1.5.1 电磁场的波动性电磁场的波动性点积为零，叉积与时间偏导成正比(10-13)(10-14)1.5.2 1.5.2 电磁场的波动性电磁场的波动性 1.6.1 1.6.1 平面电磁波及其性质平面电磁波及其性质（一）波动方程的平面波解（一）波动方程的平面波解yxzv01.6.2 1.6.2 平面电磁波及其性质平面电磁波及其性质（一）波动方程的平面波解（一）波动方程的平面波解这是行波的表示式，表示源点的振动经过一定的时间推迟才传播到场点。取正向传播：1.6.3 1.6.3 平面电磁波及其性质平面电磁波及其性质（二）平面简谐电磁波的波动公式（二）平面简谐电磁波的波动公式相位是时间和空间坐标的函数，表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态。1.6.4 1.6.4 平面电磁波及其性质平面电磁波及其性质（二）平面简谐电磁波的波动公式（二）平面简谐电磁波的波动公式波动公式：（1025）（1026）上式是一个具有单一频率、在时间和空间上无限延伸的波。1.6.7 1.6.7 平面电磁波及其性质平面电磁波及其性质（二）平面简谐电磁波的波动公式二）平面简谐电磁波的波动公式沿空间任一方向k传播的平面波复振幅：只关心光波在空间的分布。1.6.8 1.6.8 平面电磁波及其性质平面电磁波及其性质（三）平面电磁波的性质三）平面电磁波的性质1、横波特性横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播 方向。2、E、B、k互成右手螺旋系。互成右手螺旋系。3、E和和B同相同相 1.7 1.7 球面波和柱面波球面波和柱面波1、球面波、球面波2、柱面波、柱面波 第四节第四节 光波的叠加光波的叠加4.1 4.1 波的叠加原理波的叠加原理波的叠加原理：几个波在相遇点产生的合振动是各个波在该点产生振动的矢量和：矢量和：注意几个概念：1、叠加结果为光波振幅振幅的矢量和，而不是光强光强的和。2、光波传播的独立性：两个光波相遇后又分开，每个光波仍然保持原有的特性（频率、波长、振动方向、传播方向等）。3、叠加的合矢量仍然满足波动方程的通解。一个实际的光场是许多个简谐波叠加的结果。4.1.1 两个两个频率相同频率相同、振动方向相同振动方向相同的的单色光波单色光波的叠加的叠加（一）三角函数的叠加Ps1s2r1r2221112121221)2)aaaaaaatAE-2aA+1222coscossinsincos(cos(aaawaatgaaa+=-+式中：得到的合振动：（二）复函数的叠加4.1.2 两个两个频率相同频率相同、振动方向相同振动方向相同的的单色光波单色光波的叠加的叠加（三）对叠加的结果分析的主要对象：合成的光强，4.1.3 两个两个频率相同频率相同、振动方向相同振动方向相同的的单色光波单色光波的叠加的叠加4.2 4.2 驻波驻波 两个频率相同，振动方向相同而传播方向相反的单色光两个频率相同，振动方向相同而传播方向相反的单色光波的叠加将形成驻波。垂直入射的光波和它的反射光波之间波的叠加将形成驻波。垂直入射的光波和它的反射光波之间将形成驻波。将形成驻波。4.3.1 两个两个频率相同频率相同、振动方向垂直振动方向垂直的单色光波的叠加的单色光波的叠加合振动的大小和方向随时间变化，合振动矢量末端运动轨迹方程为：4.3.2 4.3.2 右旋光与左旋光右旋光与左旋光1、右旋光右旋光：迎着光的传播方向观察，合矢量顺顺时针时针方向旋转。2、左旋光左旋光：迎着光的传播方向观察，合矢量逆逆时针时针方向旋转。EyEx逆时针：左旋逆时针：左旋EyEx顺时针：右旋顺时针：右旋4.4.1 4.4.1 光学拍光学拍 光学拍是由两个频率接近两个频率接近，振动方向相同且在同一方向传播的光形成的。4.4.2 4.4.2 光学拍光学拍lmA4.4.3 4.4.3 光学拍光学拍合成波的强度随时间和位置而变化的现象称为拍频拍频。拍频的应用：利用已知的一个光频率w1，测量另一个未知的光频率w2。4.5 4.5 群速度和相速度群速度和相速度1、相速度：等位相面传播的速度、相速度：等位相面传播的速度z 或 t2、群速度：等振幅面传播的速度、群速度：等振幅面传播的速度z 或 t在真空中传播时，波速相同，相速度和群速度相等相速度和群速度相等。在色散介质中传播时，不同频率的光波传播速度不同，合成波形在传播过程中会不断地变化，相速度和群速度便不同了相速度和群速度便不同了。动画演示视频录像VB文件