第六章光的电磁理论优秀PPT.ppt

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1、第六章光的电磁理论第一页，本课件共有41页一、物理光学的发展一、物理光学的发展 光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波波 热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用证明了光的量子热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用证明了光的量子性性微粒性。微粒性。爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光激光。光具有波粒二象性，一切的微观粒子都有波粒二象性光具有波粒二象性，一切的微观粒子都有波粒二象性 第二页，本课件共有41页二、物理

2、光学的研究内容二、物理光学的研究内容物理光学：物理光学：研究光的基本属性，传播规律和光与物质之间的相互作用。n波动光学波动光学:从光的波动性出发研究光在传播过程中所发生的现象的学科，可比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传播时所表现出的现象。n量子光学量子光学:从光子的性质出发,研究光与物质相互作用的学科。物理光学分为物理光学分为波动光学量子光学第三页，本课件共有41页三、物理光学的应用三、物理光学的应用1、军事和国防2、精密测量3、通讯4、医疗5、信息处理 由此派生出很多交叉学科，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。6、天文第四页，

3、本课件共有41页第六章第六章 光的电磁理论基础光的电磁理论基础 1.光的电磁性质光的电磁性质 2.光的折射和反射光的折射和反射 3.光波的叠加光波的叠加第五页，本课件共有41页麦克斯韦方程组的积分形式（交变场）麦克斯韦方程组的积分形式（交变场）高斯定理：法拉第定理：（涡旋定理）后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。变化的磁场产生涡旋电场变化的电场产生涡旋磁场位移电流电场的变化传导电流电荷的流动D：电感强度B：磁感强度E：电场强度H：磁场强度：磁通量 6.1 6.1 光的电磁性质光的电磁性质第六页，本课件共有41页麦克斯韦方程揭示了电场、磁场的性质及电、磁场之间的联系。麦克斯韦方程揭示了电场

4、、磁场的性质及电、磁场之间的联系。方程方程：电场的高斯定律：电场的高斯定律：电场可以是有源场；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。电力线必须从正电荷出发终止于负电荷。方程方程：磁通连续定律：磁通连续定律：磁场是无源场；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。通过闭合面的磁通量等于零，磁力线是闭合的。方程方程：法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：变化磁场产生感应变化磁场产生感应 电场（涡旋场），其电力线是闭合的。电场（涡旋场），其电力线是闭合的。方程方程：安培全电流定律：安培全电流定律：传导电流和位移电流都对传导电流和位移电流都对 磁场的产生有贡献。磁场的产

5、生有贡献。总结：总结：第七页，本课件共有41页二、物质方程（描述物质在场作用下特性的方程）二、物质方程（描述物质在场作用下特性的方程）欧姆定律：电导率介电常数磁导率电磁场所在物质的性质基本物理量麦克斯韦方程组物质方程描述时变场情况下电磁场普遍规律第八页，本课件共有41页2.电磁波电磁波电磁波谱电磁波谱短高无线电电视微波红外紫外X射线g射线104310-41081012101610203100310-4310-8310-12频率(Hz)波长(m)第九页，本课件共有41页1.平面简谐电磁波的波动公式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。等相面或

6、波面某一时刻相位为常数的位置的轨迹波矢量k平面波的等相面是平面等相面法线方向，波能量的传播方向（各向同性介质），大小波数等于四、平面电磁波及其性质四、平面电磁波及其性质平面电磁波平面电磁波:与传播方向正交的平面与传播方向正交的平面上各点电场或磁场具有相同值的波上各点电场或磁场具有相同值的波第十页，本课件共有41页固定某一时刻固定某一时刻 ，看波在空间的分布：，看波在空间的分布：固定空间某点固定空间某点 ，随时间周期振动：，随时间周期振动：传播速度波长时间频率第十一页，本课件共有41页波动公式又可以表示为：平面电磁波是具有单一频率、在时间和空间上无限延伸的波。平面电磁波是具有单一频率、在时间和空

7、间上无限延伸的波。第十二页，本课件共有41页沿空间任一方向沿空间任一方向k传播的平面波方程传播的平面波方程关心光波在空间的分布。四、平面电磁波及其性质四、平面电磁波及其性质平面波的复数形式：平面波的复数形式：1.平面电磁波方程平面电磁波方程第十三页，本课件共有41页2.平面电磁波的性质平面电磁波的性质n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。nE、B、k互成右手螺旋系。互成右手螺旋系。n E和和B同相同相位位第十四页，本课件共有41页五、球面波和柱面波五、球面波和柱面波1、球面波、球面波球面波的等相面是r常量的球面2、柱面波、柱面波柱面波的等相面是r常量的柱面第十五页，本课

8、件共有41页第二节第二节 光在电介质分界面上的反射和折射光在电介质分界面上的反射和折射 1.电磁场的连续条件电磁场的连续条件本质是光波的电磁场与物质相互作用本质是光波的电磁场与物质相互作用在没有传导电流和自由电荷的介质中在没有传导电流和自由电荷的介质中B和和D的法向分量在界面上连续的法向分量在界面上连续E和和H的切向分量在界面上连续的切向分量在界面上连续单色平面电磁波入射到两电介质表面时引起传播方向、振幅、相位、能量及偏振性的变化 第十六页，本课件共有41页 入射面：入射面：界面法线与入射光线组成的平面界面法线与入射光线组成的平面振动面：振动面：电场矢量的方向与入射光线组成的平面，电场矢量的方

9、向与入射光线组成的平面，电矢量所在的平面电矢量所在的平面 任一方向振动的光矢量任一方向振动的光矢量E E可分解成两个互相垂直的分量可分解成两个互相垂直的分量 p分量：分量：平行于入射面振动平行于入射面振动S分量：分量：垂直于入射面振动垂直于入射面振动几个概念几个概念2.反射定律和折射定律反射定律和折射定律以S分量为例2n1q1n2q1qoE1pE1sE1sE1pE2sE2pxz第十七页，本课件共有41页3.菲涅尔公式菲涅尔公式反射波、折射波与入射波振幅和位相关系以S分量为例由连续条件得E沿y方向分量连续H沿x方向分量连续当两介质2n1q1n2q1qxzoE1SH1PH1PE1SH2PE2SH1

10、xH1xH2x入射面xoz分界面xoy时第十八页，本课件共有41页得s波的振幅反射系数和振幅透射系数同理得p波的振幅反射系数和振幅透射系数 第十九页，本课件共有41页(一）振幅关系一）振幅关系 讨论讨论 光疏到光密光疏到光密 光密到光疏光密到光疏第二十页，本课件共有41页(二）位相关系二）位相关系 光通过界面时折射光波不发生相位变化 折射波：反射波：n1n2光密到光疏第二十二页，本课件共有41页(三三)、反射和折射时的偏振关系反射和折射时的偏振关系入射光是线偏振光 反射、折射是线偏振光，方位发生偏转 因为，入射光是自然光 反射光中没有振动平行于入射面的分量P波2n1n1q2q1q,发生全偏振，

11、反射光是偏振光入射角为布儒斯特角，即透射光为P波占优势的部分线偏振光。提供了一种起偏的方法布儒斯特定律布儒斯特定律第二十三页，本课件共有41页4.全反射全反射光从光密介质射向光疏介质（光从光密介质射向光疏介质（n1）时，若入射角）时，若入射角（）（称为临界角），则界面上所有的光都反射回）（称为临界角），则界面上所有的光都反射回第一媒质，第二媒质没有折射光，这种现象称为全反射。第一媒质，第二媒质没有折射光，这种现象称为全反射。特点：反射时不损失能量 位相变化：S波和P波位相变化不是0或应用：纤维光学和集成光学中，传导光能，传递光学图像 第二十四页，本课件共有41页5.倏逝波倏逝波 问题问题：全反

12、射时的表观现象全反射时的表观现象：实验分析：实验分析：1 1、有折射光波进入第二媒质、有折射光波进入第二媒质2 2、透入深度与入射波长有关、透入深度与入射波长有关3 3、振幅足够强时，将进入另一光密媒质，且按常规传播、振幅足够强时，将进入另一光密媒质，且按常规传播光从光密媒质界面上发生全反射时，透过界面进入第二媒质约波长量光从光密媒质界面上发生全反射时，透过界面进入第二媒质约波长量级，并沿着界面流过波长量级距离（古斯级，并沿着界面流过波长量级距离（古斯-哈森位移）后返回第一媒质，哈森位移）后返回第一媒质，沿着反射波方向出射的波沿着反射波方向出射的波倏逝波：倏逝波：第二媒质中没有折射波第二媒质中

13、没有折射波场在界面上不连续场在界面上不连续第二十五页，本课件共有41页第三节第三节 光波的叠加光波的叠加一、波的叠加原理一、波的叠加原理 1.1.定义：定义：2.2.叠加公式：叠加公式：3.3.原理的理解原理的理解 叠加结果为光波叠加结果为光波振动振动的矢量和，而不是的矢量和，而不是光强光强的和。的和。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）。持原有的特性（频率、波长、振动方向、传播方向等）。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叠加的合矢量仍然满足波动方程的通解

14、。一个实际的光场是许多个简谐波叠加的结果。多个简谐波叠加的结果。叠加是叠加是线性线性的，但当光强很大时这种叠加原理不再适用的，但当光强很大时这种叠加原理不再适用第二十六页，本课件共有41页二、两个二、两个频率相同、振动方向相同频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加的单色光波的叠加1.代数加法代数加法得到合振动得到合振动第二十七页，本课件共有41页2.相幅矢量加法相幅矢量加法 相幅矢量A的表示：它的长度表示其某一光振动的振幅大小，与给定轴的夹角等于该光振动的相位。二、两个二、两个频率相同、振动方向相同频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加的单色光波的叠加相幅矢量加图解相幅矢量加图解第二十八页，本

15、课件共有41页3.对叠加结果的分析：对叠加结果的分析：（主要对象为合成的光强）光强）P点的合振动是一个简谐振动，振动频率和振动方向与两个单色光波相同合成的光强光强为真空中波长为真空中波长第二十九页，本课件共有41页光程光程光在介质中的几何路程光在介质中的几何路程=介质折射率介质折射率=光在真空中的传播路程光在真空中的传播路程光程差光程差对应光强的强弱光强的强弱是分析光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射重要的物理量重要的物理量牢固树立光程差光程差概念是求解干涉、衍射问题的方法光程差和相位差的关系光程差和相位差的关系第三十页，本课件共有41页 三、驻波三、驻波两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反频

16、率相同、振动方向相同而传播方向相反的单色光波的叠加形成驻波驻波。垂直入射的光波和它的反射光波之间将形成驻波。振幅为零的点振幅最大的点光强：光强：与z无关，波不会在z方向上传播故这个波称为驻波第三十一页，本课件共有41页驻波行波没有能量的传播激光谐振腔维纳实验（1890）证实了光驻波的存在光驻波现象伴随能量的传播波节波腹第三十二页，本课件共有41页四、两个四、两个频率相同、振动方向垂直的频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加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：椭圆方程合振动的角频率为，合振动矢量末端运动轨迹方程为椭圆椭圆偏振光第三十三页，本课件共有41页椭圆

17、形状的分析椭圆形状的分析：()EyEx3/223/22EyEx=0=0EyEx0/20/2EyEx=/2=/2EyEx/2/2EyEx=EyEx3/23/2EyEx=3/2=3/2第三十四页，本课件共有41页五、五、两个两个不同频率不同频率的单色光波的叠加的单色光波的叠加由两个频率接近两个频率接近、振幅相同、振动方向相同振幅相同、振动方向相同且在同一方同一方向向传播的光形成。两个单色波两个单色波合成波合成波1.光学拍光学拍第三十五页，本课件共有41页平均角频率平均波数调制角频率调制波数五、五、两个两个不同频率不同频率的单色光波的叠加的单色光波的叠加第三十六页，本课件共有41页lmA合成波是一个

18、频率为而振幅受到调制的波振幅变化振幅变化强度变化强度变化第三十七页，本课件共有41页合成波的强度随时间和位置而变化的现象称为拍拍。其频率称拍频。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。第三十八页，本课件共有41页本节重点内容回顾本节重点内容回顾1、波的叠加原理2、两个频率相同、振动方向相同的单色光波叠加3、驻波（频率相同、振动方向同、传播方向相反）4、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波叠加5、光学拍（小频率差、振动方向相同、传播方向相同、振幅相同）第三十九页，本课件共有41页 波的叠加原理：几个波在相遇点产生的合振动是各个波单独波的叠加原理：几个波在相遇点产生的合振动是各个波单独在该点产生的振动的矢量和，叠加原理是波动学的基本原在该点产生的振动的矢量和，叠加原理是波动学的基本原理。理。光波的叠加服从叠加原理。光波的叠加服从叠加原理。第四十页，本课件共有41页二、物理光学的研究内容二、物理光学的研究内容n几何光学几何光学：是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。n物理光学：物理光学：研究光的基本属性，它的传播规律和它与物质之间的相互作用。第四十一页，本课件共有41页