天津大学 工程光学 光的电磁理论.pptx

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1、参考书Born，Wolf光学原理第1页/共44页参考资源第2页/共44页我第3页/共44页光学史简介光是什么？光行为如何？光有什么用处？如何实现？第4页/共44页几何光学直线传播反射定律折射定律费马 最小时间原理第5页/共44页第6页/共44页第7页/共44页过去2000年最伟大的发明100个第8页/共44页新的现象薄膜产生彩色条纹干涉几何阴影区有光衍射横向性偏振第9页/共44页左：牛顿环上：肥皂泡第10页/共44页白光的单缝衍射第11页/共44页微粒说牛顿1643-1727第12页/共44页波动说惠更斯1629-1695第13页/共44页惠更斯原理（惠更斯作图法）波阵面上的每一点可以认为是产

2、生球面子波的一个次级扰动中心，而以后任何时刻的波阵面则可看作是这些次级子波的包络 第14页/共44页惠更斯作图法折射第15页/共44页光是机械波？菲涅尔 惠更斯作图法+干涉原理（惠更斯-菲涅尔原理）对直进、衍射等进行解释杨 横波假设（偏振）光是在以太中传播的机械横波？第16页/共44页光是电磁波麦克斯韦方程抛弃机械模型第17页/共44页第18页/共44页主要内容11章 电磁理论12章 干涉13章 衍射15章 晶体光学第19页/共44页第十一章 光的电磁理论基础光的电磁性质光在电介质分界面上的反射和折射 光的叠加第20页/共44页高斯定理：一、麦克斯韦方程组1、静电场和稳恒电流磁场的基本规律安培

3、环路定律磁场是无源场静电场是无旋场 第1节 光的电磁性质第21页/共44页高斯定理：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。D：电感强度B：磁感强度E：电场强度H：磁场强度：磁通量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2、麦克斯韦方程组的积分形式第22页/共44页3、麦克斯韦方程组的微分形式微分形式：揭示了电流、电场、磁场相互激励的性质第23页/共44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

4、磁场普遍规律第24页/共44页三、电磁场的波动性三、电磁场的波动性（一）、电磁场的传播（一）、电磁场的传播随时间变化的电场在周围空间产生一个涡旋磁场随时间变化的磁场在周围空间产生一个涡旋电场互相激发，交替产生，在空间形成统一的场电磁场交变电磁场在空间以一定的速度由近及远地传播电磁波第25页/共44页（二）、电磁场波动方程（二）、电磁场波动方程表明电场和磁场是以波动形式进行的第26页/共44页（三）、电磁波（三）、电磁波第27页/共44页可见光区第28页/共44页四、平面电磁波及其性质四、平面电磁波及其性质平面电磁波是在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 第29页/共44页1、方

5、程求解：求解方程得（一）波动方程的平面波解第30页/共44页这是行波的表示式，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：2、解的意义：第31页/共44页（二）平面简谐电磁波的波动公式位相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。第32页/共44页等相面或波面某一时刻位相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），大小波数等于第33页/共44页波动公式：上式是一个具有单一频率、在时间和空间上无限延伸的波。第34页/共44页沿空间任一方向k传播的平面波复振幅：只关心光波在空间的分布。第35页/共44页（三）平

6、面电磁波的性质1、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。3、E和B同相第36页/共44页五、球面波和柱面波五、球面波和柱面波1、球面波 球面波的等相面是r常量的球面第37页/共44页2、柱面波 柱面波的等相面是r常量的柱面第38页/共44页六、光波的辐射六、光波的辐射（一）电偶极子辐射模型原子受激运动 -等效电偶极子振动发射电磁波第39页/共44页（二）辐射能辐射强度矢量或坡印亭矢量电磁波的传播过程伴随着能量在空间的传递 用于描述电磁能量的传播 S方向表示能量流动的方向 其大小表示单位时间垂直通过单位面积的能量 S与E和B互相垂直，组成右手螺旋系第40

7、页/共44页光强度：单位时间内，在垂直能流方向的单位面积上通过的能量的时间平均值。平面波：只考察相对光强时可直接用第41页/共44页（三）实际光波实际光波的波列形式存在非单一频率的简谐波由一段段有限长波列组成波列长度取决于原子两次碰撞的时间间隔10-9s实际光波无偏振性波列的振动方向和相位的无规则性，光源由无数独立原子组成观测者在一个较长观测时间T(T 波列存在时间)内接收这类光的组合时,各个波列的振动方向和相位被完全平均成为均匀包含任何方位振动的光自然光，这就是实际光源发出的光波第42页/共44页本节内容回顾1、麦克斯韦方程组2、物质方程3、波动方程4、电磁波的平面波解（平面波、简谐波解的 形式和意义，物理量的关系，电磁波的性质）5、球面波和柱面波（定义、方程表达式）6、光波的辐射第43页/共44页感谢您的观看。第44页/共44页