物理光学A---第一章 光的电磁理论.ppt

物理光学 第一章 光的电磁理论 第二章 光的叠加与分析 第三章 光的干涉与干涉仪 第四章 多光束干涉与干涉薄膜 第五章 光的衍射 第六章 傅里叶光学(本课程不讲) 第七章 光的偏振与晶体光学基础 第一章 光的电磁理论 1.1 光的电磁波性质 1.2 平面电磁波 1.3 球面波和驻面波 1.4 光源和光的辐射 1.5电磁场的边值关系 1.6 光在两介质分界面上的反射和折射 1.7 全反射 1.8 光波在金属表面的透射和反射 1.9 光的吸收、色散和散射 四、电磁场的波动性 由麦克斯韦方程组推导波动方程 由麦克斯韦方程组可导出关于电场基本量E和磁场基本量B的两个偏微分方程，从而证明电磁场的波动性。 为简化讨论，假设所讨论的空间为无限大且充满各向同性的均匀介质，故?、?均为常数；又设讨论的区域远离辐射源，因此?=0，j=0。 1.2.5 平面简谐波的复振幅 例1： P11图1.5 ：平面波在z=0平面上的位相分布 例2 ： P11 图1.6：平面波及其共轭波(联系本书P365） 对于P11图1.6的疑问 1.2.6 平面电磁波的性质 1.电磁波是横波： 由于 对其取散度： 由麦克斯韦方程 ： 即电场波动是横波，电矢量的振动方向恒垂直于波的传播方向。 同理 表明磁场波动也是横波，磁矢量的振动方向也垂直于波的传播方向 2. 和 互相垂直： 由麦克斯韦方程组中关系式： 且 因此： 即 由 故 可见 和 互相垂直，彼此又垂直于波的传播方向 构成右手螺旋系统。 3. 和 同相: 由 得到： 故,两矢量振动始终同位相,电磁波传播时它们同步的变化. 由 时复振幅的表示式知： 在z=o平面上的振幅分布为： 例1：P15 （简单）例2：P16 （典型，必会）注意：可以直接用E，B, K右手关系求解 课后习题： P47 1.1 1.2 1.4 1.8 1.10 1.4 光源和光的辐射 1.4.1 光源 热光源：白炽灯 气体放电光源：弧光放电 钠灯、汞灯 激光器：He-Ne 632.8 nm 红光 1.4.2 光辐射的经典模型 电偶极子辐射模型： 光波是电磁波，光源发光就是物体的辐射电磁波的过程。大部分物体发光属于原子发光类型，因此我们只研究原子发光的情况。 经典电磁场理论认为：原子发光是原子内部运动过程形成的电偶极子的辐射。 原子由带正电的原子核和带负电的绕核运转得的电子组成。在外界能量的激发下，由于原子核和电子的剧烈运动和相互作用，原子的正电中心和负电中心常不重合，且正、负中心的距离在不断的变化，从而形成一个振荡的电偶极子。如图1-13所示： 该系统的电偶极距为 最为简单的振荡电偶极子是电偶极距随时间作简谐变化的电偶极子，此时电偶极距 可表示为 是振幅 是角频率。 既然原子是一个振荡电偶极子，它必定在周围空间产生交变电磁场，即辐射出光波。 由图1.13所示，振荡电偶极子振动一个周期，称电磁场将向外传播一个空间周期，即电磁场分布有一定的空间周期?，这就是电磁波的波长 。 振荡电偶极子辐射的电磁场： 可由Maxwell方程组计算，在经典的电动力学著作中均可找到，我们只给结果: 1. 作简谐振动的电偶极子在距离很远的P点辐射的电磁场的数值为： 式中 显然，上式为一球面波，但与标准球面波不同的是，电偶极子辐射的球面波的振幅随?角而变。 2． 在 和 所在平面内振动， 在与之垂直的平面内振动， 同时 和 又都垂直于波的传播方向， 三者组成右旋系统， 表明了其偏振性。 1.4.3 辐射能 辐射能 ： 振荡电偶极子不断地向外界辐射电磁场，由于电磁场具有能量，所以，在辐射过程中伴随着电磁场能量的传播。 电磁学告诉我们，在各向同性的煤质中，电场的能量密度（单位体积内的能量） ： 磁场的能量密度 为 ： 在电磁波情况下：由 和 的数量关系 ： 知道： 总电磁波能量密度?为： 因为电磁波以速度?沿方向 传播，所以单位时间内穿过与 相垂直的单位面积的能量S为： 考虑到传播方向，可以定义波印廷矢量 的方向表示电磁波的传播方向， 的大小表示电磁波所传递的能流密度。 所以 又可以叫做能流密度矢量。 对于光波来说B和E都随时间快速变化，所以S的大小也随时间快速变化。在可见光区E和B的频率达 ，故S