光的电磁理论.ppt.pptVIP

为了描述辐射能的传播，引进辐射强度矢量（Poynting矢量）S， 它的大小为单位时间内、通过垂直于传播方向的单位面积的辐 射能量，它的方向为能量的传播方向。 已知S的方向为电磁波的传播方向，而波的传播方向、E方向、B 方向三者相互垂直，故（2）式又可以写成矢量式 由于电场和磁场的变化频率高达1015Hz数量级，所以S的值也在 迅速改变，用任何方法都不能接受到其瞬时值，只能接受到在 某一时间段内的平均值。已知辐射强度的瞬时值为S v?E2，设 电偶极子辐射球面波，代入球面波电场波函数的实数表达式 则辐射强度在一个周期内的平均值为 由此式可知：辐射强度的平均值与电偶极子振荡的振幅平方成 正比；与振荡频率的四次方成正比，即与波长的四次方成反比； 还与角度?有关。 考察离电偶极子很远处的球面波时，可将其视为平面波，平面 波的辐射强度在一个周期内的平均值为 物理光学中将（S）称为光强度，用 I 表示。由（5）式得： I ∝A2 当讨论相对光强时，比例系数可消去，I A2。 对实际光波的认识 光波的不连续性 振荡电偶极子辐射的并不是连续的光波，而是持续时间极短的波列，每一波列的持续时间为10-9秒数量级，各波列之间没有确定的位相关系，光矢量的振动方向也是随机的。 自然光的非偏振性 光学中将普通光源辐射的、未经过特殊的起偏振装置处理的光波叫自然光。这种光波在空间各个方位上的振动几率相等，不表现出偏振性。 光在两透明介质分界面上的反射和折射，实质上是光波的电磁 场与物质的相互作用问题，它的精确处理是很复杂的，需要涉 及到次波的产生和相干问题。本节中采用了一种较简单的方法： 用介质的介电系数、磁导率和电导率来表示大量分子的平均作 用，根据麦克斯韦方程组和电磁场的边界条件，研究平面光波 在两介质分界面上的反射和折射问题。 反射定律和折射定律 当一个单色平面光波入射到两不同介质的分界面上时，被分为 两个波：折射波和反射波。从电磁场的边值关系可以证明这两 个波的存在，并求出它们的传播方向的关系。 §7 光在两介质分界面上的反射和折射 1 2 k1 k1` k2 n 设介质1、介质2的分界面为无穷大 平面，单色平面光波由1入射到2， 入射波、反射波、折射波的波矢量 分别为k1、k1`、k2，角频率分别为 。三个波分别表示为 ?1 ?1` ?2 菲涅耳公式 菲涅耳公式是用来表示反射光、折射光与入射光振幅和位相关 系的一组表达式。 实际情况中，入射光的电矢量E1可以在垂直于传播方向的平面 内的任意方位上振动，但总可以 将E1分解为垂直于入射面的分量 E1s和平行于入射面的分量E1p。Es 的正方向为沿y轴正向，即垂直于 图面向外；Ep的正方向如图所示。 需要说明的是，这种方向只是一 种人为的规定，改变这种规定， 并不影响结果的普遍适用性。 x z o n1 n2 E1s E1p E2s E2p k1 k1` k2 ?1 ?1` ?2 s波的反射和透射系数 设平面波入射于两介质界面， 其中的电矢量垂直于入射面， 磁矢量的方向如图所示，三 个波同相。 由电磁场边值关系的（3）式 可得 E1s H1p E2s H2p ?1 ?1` ?2 o n1 n2 p波的反射和透射系数 入射的平面波是电矢量平行于 入射面的p波，磁矢量的方向 垂直于入射面，入射、反射、 折射三波仍同相。 与前面研究s波的过程相仿： 由电磁场边值关系的（3）、 （4）式和右图可得 E1p H1s k1 ?1 ?1` ?2 E1p` H1s` H2s E2p k1` k2 n1 n2 将入射、反射、折射波的表达式代入（3）和（4`）式，得到 菲涅耳公式的讨论 对菲涅耳公式的讨论分 n1＜n2 和 n1＞n2 两种界面情形来进行。 n1＜n2 时 举最常见的光从空气射向玻璃的情况为例， n1 1，n2 1.5。这种情况下s波和p波的透射系数、反射系数与入射角?1 的关系曲线。由该图可得如下结论： （1）在图中?1角的变化范围内，s波和p波的透射系数值接近，而且均随?1的增大而减小；当?1 90o时，ts、tp均为0，没有折射光波存在。 （2）在图中?1角的变化范围内，rs的绝对值随?1的增大而增大，当?1 90o时， rs的绝对值为1，即垂直分量全部反射；rp的变化分为?1 ＜ ?B和?1 ＞ ?B两段（ ?B + ?2 90o ）：当?1 ＜ ?B时， rp的值随?1的增大而减小到0，反射光中没有平行分量；当?1 ＞ ?B时， rp的绝对值随?1的增大而增大，当?1 90o时rp的绝对值为1，即平行分量也完全反射。 （3）由图中可看出： ts、tp均为正值，A2s与A1s同号，A2p与A1p也同号，即界面上E2s与E1s为同方向，E2p与E1p也为同方向，位相相同。