第一章节：电磁波和光速幻灯片.pptVIP

上面，因高频项对时间的平均值为零，所以得出最后一个等式。 一般我们感兴趣的不是绝对光强，而是光强分布，因此常忽略式中的常数因子。 * 光学中所说的光强都是指“相对光强对时间的平均值” 光强等于振幅的平方 提要1 * 简谐波是波动方程的解，有两类重要的基本解，即平面波和球面波。 对于电磁场只包含一个分量的情形， 称为复振幅，上式中只有其实部才是实际的波。 式中不含时间的项 单色平面波的复指数表示为 高斯光波的复振幅 提要2 由麦克斯韦方程组的微分形式证明了光波是横波，并且E、B和k三矢量的方向符合右手螺旋关系。 在光学中，用相对光强表示光强 * 光强等于振幅的平方 习题 1.为什么可以用复指数函数来表示简谐波？指出下列两式的异同。写出相应复振幅的表达式 * 2.证明沿 k 方向传播的单色平面简谐光波是横波。 解答 * 解： (1)由于复指数函数形式的实部系数就是简谐波(振动)，且运算方便，运算所得结果取其实部系数与用三角函数表示进行同类运算所得结果一致。 (2) 余弦函数形式和复指数函数形式都能表示简谐波 复指数形式来表示简谐波，其实部系数才是实际的简谐波。 * 复振幅： (3) 两者表示的是同一个简谐波，复振幅相同。 解答 代入麦克斯韦方程组的 * 代回麦克斯韦方程组的另外两式中， 由上面两组方程可知，三个矢量相互垂直，构成右手螺旋，且有E=cB. 由于E和B都与传播方向k垂直，故光波是横波。 * 光学的主题 研究光的传播和光与物质的相互作用。 第一章：电磁波和光速 ——电磁波的传播问题 光的电磁理论的基础： 麦克斯韦方程组 物质方程 边界条件 菲涅耳公式 回顾 * 麦克斯韦方程组和物质方程 由麦克斯韦方程组推出了电磁波波动方程 预言了电磁波的存在 于1887年由赫兹实验所证实 光也是电磁波的伟大预言 * 对介电常量 ?r 的大小和形式，因介质而异 (1)对于光各向同性的线性介质来说，?r(或?e)为标量常数； (2)对于光各向同性的非线性介质来说，?r(或?e)为与场强E有关的标量级数； (3)对于光各向异性介质,相对介电常量则以张量形式?r(或?e)出现,这时D和E不再相互平行。 ——晶体的双折射现象。 * 电磁波波动方程的解：平面波、球面波和高斯光波 * 标量单色平面波的复指数表示为 称为复振幅(complex amplitude) 包含了由于不同位置 r 带来的相位变化，同样上式中只有其实部才是实际的波。 欧拉公式 * 电磁波的横波性 电磁波的能量传播 坡印亭矢量： 光强——具有时间平均、相对的含义 光学现象丰富多彩, 我们建议以“光究竟是什么”为中心主线来理解整个光学。以“h-判据”对整个光学现象进行分类。 自然科学已经证明,自然界本质上是量子的,光也不例外，因此原则上可以用量子理论解释一切光学现象。但实际上对不同的光学现象用更简洁的近似理论去解释也能得到较为满意的结果。 * 当普朗克常数(h)，光波长(?)与光学体系的相应特征量和特征尺寸相比可以忽略不计时(h?0, ? ? 0)，光学现象遵从几何光学原理； 当h ? 0,但并不满足? ? 0时,光可以看成经典的电磁波,服从经典波动理论和麦克斯韦电磁理论，属于波动光学范畴； 在不满足h ? 0的场合，光的量子特征显著，必须采用量子理论来描述，这部分内容称为量子光学。这时我们对“光是什么?”的回答是：光是量子化的电磁场。 * * 由麦克斯韦方程组解具体的电磁场问题时，还需要物质方程和边界条件。当解决具体的电磁场在各向同性介质中的传播问题时，只需用到下述物质方程。 * * 由麦克斯韦方程组和条件，直接写出电磁波波动方程。 * * 在本讲义所涉及到的光学范畴的介质，均为非磁性物质。可认为介质的相对磁导率? r?1 * 电磁场是矢量场，所以有波方程是矢量。 波矢的大小： k = 2? / ? ，方向：波的传播方向。 * 横波：振动方向垂直于光的传播方向。 * S：单位时间内垂直通过单位面积的能量。 * 上面，因高频项对时间的平均值为零。 上次课提要： 从光的本性简述光学发展史： 1、牛顿提出光是粒子流的理论——牛顿的微粒说。 2、惠更斯提出光的波动说，光是在充满整个空间的特殊介质“以态”(ether)中传播的某种弹性波； 麦克斯韦提出了光波属于电磁波。 3、爱因斯坦(Einstein)提出了狭义相对论，否定了以太的存在，电磁波 (光波)本身是一种实体。 4、波粒二象性：微观粒子，包括“光子”具有波粒二象性。光在传播过程中表现波动性，光在与物质相互作用时表现粒子性。 * 光学的主题 研究