光的电磁理论基础优秀PPT.ppt

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1、光的电磁理论基础第1页，本讲稿共34页第第1章章 光的电磁理论基础光的电磁理论基础(Basic photomagnetoelectric theory)19世纪世纪60年代，麦克斯韦建立了经典电磁理论，并把光学年代，麦克斯韦建立了经典电磁理论，并把光学现象和电磁现象联系起来，指出光也是一种电磁波，是光现象和电磁现象联系起来，指出光也是一种电磁波，是光频范围内的电磁波，从而产生了光的电磁理论。光频范围内的电磁波，从而产生了光的电磁理论。光的电磁的电磁理论是描述光学现象的基本理论。理论是描述光学现象的基本理论。第2页，本讲稿共34页内容：内容：1.光波与电磁波光波与电磁波 麦克斯韦方程组麦克斯韦方

2、程组2.几种特殊形式的光波几种特殊形式的光波 3.光波场的时域频率谱光波场的时域频率谱5.光波场的空间频率和空间频率谱光波场的空间频率和空间频率谱4.相速度和群速度相速度和群速度6.光波的横波性、偏振态及其表示光波的横波性、偏振态及其表示第3页，本讲稿共34页1.电磁波谱电磁波谱1.1 光波与电磁波光波与电磁波 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组(Light wave and Electromagnetic wave Maxwell equations)2.麦克斯韦电磁方程麦克斯韦电磁方程3.物质方程物质方程5.光电磁场的能流密度光电磁场的能流密度4.波动方程波动方程第4页，本讲稿共34页 射线x射

3、线紫外光红外光微波无线电波10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm可见光(400750nm)1.电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称。射线 x 射线紫外光可见光红外光微波无线电波第5页，本讲稿共34页各种波长的电磁波中，能为人眼所感受的是各种波长的电磁波中，能为人眼所感受的是 400 760 nm 的窄小范围。对应的频率范围是的窄小范围。对应的频率范围是：这波段内电磁波叫可见光。在可见光范围内，不同频率的这波段内电磁波叫可见光。在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。光波引起人眼

4、不同的颜色感觉。=（7.6 4.0）1014 HZ 760 630 600 570 500 450 430 400(nm)红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 第6页，本讲稿共34页 通常所说的光学区域通常所说的光学区域(或光学频谱或光学频谱)包括红外线、可见包括红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高光和紫外线。由于光的频率极高(10121016Hz)，数，数值很大，使用起来很不方便，所以采用波长表征，光值很大，使用起来很不方便，所以采用波长表征，光谱区域的波长范围约从谱区域的波长范围约从 1mm10 nm。第7页，本讲稿共34页麦克斯韦电磁方程的微分形式为麦克斯韦电磁方程的微分形式为D、E、B、H

5、分别表示电感应强度、电场强度、磁感应分别表示电感应强度、电场强度、磁感应强度、磁场强度强度、磁场强度;是自由电荷体密度；是自由电荷体密度；J 是传导电流是传导电流密度。密度。2.麦克斯韦电磁方程麦克斯韦电磁方程第8页，本讲稿共34页散度在笛卡儿坐标系中的表达形式：散度在笛卡儿坐标系中的表达形式：旋度在笛卡儿坐标系中的表达形式：旋度在笛卡儿坐标系中的表达形式：第9页，本讲稿共34页上面四个方程可逐一说明物理意义如下：在电磁场中任上面四个方程可逐一说明物理意义如下：在电磁场中任一点处一点处(1)电位移的散度等于该点处自由电荷体的密度电位移的散度等于该点处自由电荷体的密度；(2)磁感强度的散度处处等

6、于零；磁感强度的散度处处等于零；(3)电场强度的旋度等于该点处磁感强度变化率的电场强度的旋度等于该点处磁感强度变化率的 负值；负值；(4)磁场强度的旋度等于该点处传导电流密度与位移磁场强度的旋度等于该点处传导电流密度与位移 电流密度的矢量和。电流密度的矢量和。第10页，本讲稿共34页麦克斯韦电磁方程的积分形式为：麦克斯韦电磁方程的积分形式为：第11页，本讲稿共34页1873年前后，麦克斯韦提出的表述电磁场普遍规律的四个年前后，麦克斯韦提出的表述电磁场普遍规律的四个方程（方程（积分形式积分形式）其中：）其中：(1)描述了电场的性质描述了电场的性质。在一般情况下，电场可以是库。在一般情况下，电场可

7、以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。无贡献。(2)描述了磁场的性质描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发，也可以。磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁由变化电场的位移电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁感应线都是闭合线，对封闭曲面的通量无贡献。感应线都是闭合线，对封闭曲面的通量无贡献。第12页，本讲稿共34页(3)描述了变化的磁场激发电场的规律。描述了变化的磁场激发电场的规律。(

8、4)描述了变化的电场激发磁场的规律。描述了变化的电场激发磁场的规律。第13页，本讲稿共34页麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛顿运动定律在力学中的地位一样。以麦克斯顿运动定律在力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一。它所揭示出的电磁最引以自豪的成就之一。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：样一种信念：物质的各种相互作用在更高层物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的次上应该是统一的。另外，这个理论被广

9、泛。另外，这个理论被广泛地应用到技术领域。地应用到技术领域。第14页，本讲稿共34页 在运用麦克斯韦方程组处理光的传播特性时，必须考虑介在运用麦克斯韦方程组处理光的传播特性时，必须考虑介质的属性，以及介质对电磁场量的影响。质的属性，以及介质对电磁场量的影响。描述介质特性对电描述介质特性对电磁场量影响的方程，即是物质方程：磁场量影响的方程，即是物质方程：式中式中,=0 r 为介电常数为介电常数,=0 r 为介质磁导率为介质磁导率,为电为电导率。导率。3.物质方程物质方程第15页，本讲稿共34页在一般情况下，介质的光学特性具有不均匀性，在一般情况下，介质的光学特性具有不均匀性，、和和 是空间位置的

10、坐标函数，即应当表示成是空间位置的坐标函数，即应当表示成 (x，y，z)、(x，y，z)和和(x，y，z)；若介质的光学特性是各向异性的，则；若介质的光学特性是各向异性的，则、和和 应当是张量，因而物质方程应为如下形式：应当是张量，因而物质方程应为如下形式：即即 D 与与 E、B 与与 H、J 与与E一般不再同向一般不再同向。第16页，本讲稿共34页当光强度很强时当光强度很强时，光与介质的相互作用过程会表现，光与介质的相互作用过程会表现出非出非线性光学特性，因而描述介质光学特性线性光学特性，因而描述介质光学特性的的量不再是常数，量不再是常数，而应是与光场强有关系的量，例如介电常数应为而应是与光

11、场强有关系的量，例如介电常数应为(E)，电导率应为电导率应为(E)。对于均匀的各向同性介质对于均匀的各向同性介质，、与空间位置和方向无关的与空间位置和方向无关的常数常数；在线性光学范畴内，；在线性光学范畴内，、与光场强无关；透明、无与光场强无关；透明、无耗介质中，耗介质中，=0；非铁磁性材料的；非铁磁性材料的 r 可视为可视为 1。第17页，本讲稿共34页麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，指出任何麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，指出任何随时间变化的电场，将在周围空间产生变化的磁场，任随时间变化的电场，将在周围空间产生变化的磁场，任何何随时间变化的磁场随时间变化的磁场，将在周围空间

12、产生变化的电场，将在周围空间产生变化的电场，变化的电场和磁场之间相互联系，变化的电场和磁场之间相互联系，相互激发相互激发，并且以，并且以一定速度向周围空间一定速度向周围空间传播传播。因此，交变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传因此，交变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播的电磁波，应当满足描述这种波传播规律的播的电磁波，应当满足描述这种波传播规律的波动方波动方程程。4.波动方程波动方程第18页，本讲稿共34页我们从麦克斯韦方程组出发，推导出电磁波的波动方程，我们从麦克斯韦方程组出发，推导出电磁波的波动方程，限定限定介质为各向同性的均匀介质介质为各向同性的均匀介质，仅讨论远离辐射源、不存在，

13、仅讨论远离辐射源、不存在自由电荷和传导电流的区域。此时，麦克斯韦方程组简化自由电荷和传导电流的区域。此时，麦克斯韦方程组简化为为第19页，本讲稿共34页对对(10)(10)式两边取旋度，并将式两边取旋度，并将(11)(11)式代入，可得式代入，可得利用矢量微分恒等式利用矢量微分恒等式并考虑到（并考虑到（8）式，可得）式，可得第20页，本讲稿共34页对对(10)(10)式两边取旋度，并将式两边取旋度，并将(11)(11)式代入，可得式代入，可得第21页，本讲稿共34页利用矢量微分恒等式，并考虑到（利用矢量微分恒等式，并考虑到（8）式，可得）式，可得第22页，本讲稿共34页同理可得同理可得若令若令

14、可将以上两式变化为可将以上两式变化为此即为交变电磁场所满足的典型的波动方程，它说明了此即为交变电磁场所满足的典型的波动方程，它说明了交变交变电场和磁场是以速度电场和磁场是以速度 传播的电磁波动传播的电磁波动。第23页，本讲稿共34页由此可得光电磁波在真空中的传播速度为由此可得光电磁波在真空中的传播速度为为表征光在介质中传播的快慢，引入光折射率：为表征光在介质中传播的快慢，引入光折射率：除铁磁性介质外，大多数介质的磁性都很弱，可以认为除铁磁性介质外，大多数介质的磁性都很弱，可以认为 r 1。第24页，本讲稿共34页因此，折射率可表示为因此，折射率可表示为此式称为麦克斯韦关系。此式称为麦克斯韦关系

15、。对于一般介质，对于一般介质，r 或或 n 都是频率都是频率的函数的函数，具体的函数关系取决于介质的结构。，具体的函数关系取决于介质的结构。第25页，本讲稿共34页5.光电磁场的能流密度光电磁场的能流密度传播的电磁波，所以它所具有的能量也一定向外传播。为了传播的电磁波，所以它所具有的能量也一定向外传播。为了描述电磁能量的传播，引入能流密度描述电磁能量的传播，引入能流密度玻印亭矢量玻印亭矢量 S，它，它定义为定义为表示单位时间内，通过垂直于传播方向上的单位面积表示单位时间内，通过垂直于传播方向上的单位面积的能量。的能量。第26页，本讲稿共34页对于一种沿对于一种沿 z 方向传播的平面光波，光场表

16、示式为方向传播的平面光波，光场表示式为ex、hy 是电场、磁场振动方向上的单位矢量是电场、磁场振动方向上的单位矢量,第27页，本讲稿共34页其能流密度其能流密度 S 为为sz 是能流密度方向上的单位矢量。是能流密度方向上的单位矢量。第28页，本讲稿共34页因为由因为由(10)式有，式有，所以，所以 S 可写为可写为该式表明，这个平面光波的能量沿该式表明，这个平面光波的能量沿 z 方向以波动形式传播。方向以波动形式传播。第29页，本讲稿共34页由于光的频率很高，例如可见光为由于光的频率很高，例如可见光为 1014 量级，所以量级，所以 S 的大的大小小 S 随时间的变化很快。而目前光探测器的响应

17、时间都随时间的变化很快。而目前光探测器的响应时间都较慢，例如响应最快的光电二极管仅为较慢，例如响应最快的光电二极管仅为 10-810-9 秒，远秒，远远跟不上光能量的瞬时变化，远跟不上光能量的瞬时变化，只能给出只能给出 S 的平均值的平均值。第30页，本讲稿共34页在实际上都利用能流密度的时间平均值在实际上都利用能流密度的时间平均值表征光电磁场表征光电磁场的能量传播的能量传播，并称并称 为为光强光强，以，以 I 表示。假设光探测器表示。假设光探测器的响应时间为的响应时间为T，则，则将将(l 6)式代入，进行积分可得式代入，进行积分可得是比例系数。是比例系数。第31页，本讲稿共34页第32页，本

18、讲稿共34页在同一种介质中，光强与电场强度振幅的平方成正比在同一种介质中，光强与电场强度振幅的平方成正比.一旦一旦通过测量知道了光强，便可计算出光波电场的振幅通过测量知道了光强，便可计算出光波电场的振幅 E0。例如，一束例如，一束 1l05W 的激光，用透镜聚焦到的激光，用透镜聚焦到 110-10m2 的面的面积上积上,则在透镜焦平面上的光强度则在透镜焦平面上的光强度第33页，本讲稿共34页在有些应用场合，由于只考虑某一种介质中的光强，只在有些应用场合，由于只考虑某一种介质中的光强，只关心光强的相对值因而往往省略比例系数，把光强写成关心光强的相对值因而往往省略比例系数，把光强写成相应的光电场强度振幅为相应的光电场强度振幅为第34页，本讲稿共34页