第二部分-I-光波特性

1、第二部分光波的特性激光的基本原理及特性一、光波的特性（一）、光波与电磁波、麦克斯韦电磁方程1、电磁波谱 光是一种电磁波，X 射线、 射线也都是电磁波。它们的电磁特性相同，只是频率或波长不同而已。将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱，则称为电磁波谱。通常所说的光学区域或光学频谱包括：红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高10121016Hz（10141015Hz），一般采用波长表征，光谱区域的波长范围约从1 mm到10 nm。 远红外 (1 mm 20 m)(1 mm 0.76m) 中红外 (20 m 1.5 m) 近红外 (1.5 m 0.76 m) 红 色(760 nm 630 nm) 橙

2、 色 (630 nm 600 nm) 黄 色 (600 nm 570 nm)可见光 (760 380 nm) 绿 色 (570 nm 490 nm) 青 色(500 nm 450 nm)蓝 色 (450 nm 430 nm) 紫 色 (430 nm 380 nm) 近紫外 (380 nm 300 nm) 紫外光 (380 10 nm) 中紫外(300 nm 200 nm)真空紫外(200 nm 10 nm)1激光的基本原理及特性波长 / m无线电波微波红外线紫外线可见光 X 射线 射线宇宙射线1m103m106mm10910-310-610-9nm波长 / nm1061020039045549

3、25775976227605x1036x1034x104300极远远近极远远中近红橙黄绿蓝紫电磁波谱图第二部分光波的特性2激光的基本原理及特性2、麦克斯韦电磁方程 根据光的电磁理论，光波具有电磁波的所有性质，这些性质都可以从电磁波的基本方程麦克斯韦方程组推导出来。 麦克斯韦方程组的微分形式： D B 0 x E ( B/ t) x H J + ( D/ t)式中：D、E、B、H 分别表示电感应强度（电位移矢量）、电场强度、磁感应强度、磁场强度； 是自由电荷密度、 J是传导电流密度。这种微分形式的方程组将空间任一点的电、磁场联系在一起，可以确定空间任一点的电、磁场。3、物质方程 D E B H

4、J E式中： 0 r 为介电常数，描述介质的光学性质。 0 是真空中介电常数， r 是相对介电常数 ； 0r 为介质磁导率，描述介质的磁学性质。0 是真空中磁导率，r 是相对磁导率； 为电导率，描述介质的导电特性。注：若介质的光学性质是各向异性的，则、 和 应当是张量。第二部分光波的特性3激光的基本原理及特性4、波动方程 在各向均匀的介质中，在远离辐射源，不存在自由电荷和传导电流的区域，此时麦克斯韦方程组简化为： D 0 B 0 x E ( B/ t) x H ( D/ t)由此可推导出交变电磁场所满足的典型的波动方程： 2 E (1/2)(2 E/ t2) = 0 2 H (1/2)(2 H

5、/ t2) = 0该式说明了交变电场和磁场是以速度 传播的电磁波动。式中： ()-1/2 光电磁波在真空中的传播速度: (00)-1/2 为表征光在介质中传播的快慢，引入光折射率：n = c/ = (rr)1/2 除铁磁性介质外，大多数介质的磁性都很弱，可以认为 r 1。因此，折射率可以表示为：n = (r)1/2 此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质， r 或 n 都是频率的函数，具体的函数关系取决于介质的结构。第二部分光波的特性4激光的基本原理及特性5、光电磁波的能流密度 为了描述电磁能量的传播，引入能流密度玻印亭（Poyning）矢量S，它定义为： S E x H 表示单位时间内，通过垂直

6、于传播方向上的单位面积的能量。 对于一种沿Z方向传播的平面光波，光场表示为： E = ex E0 cos( wt - k z ) H = hyH0cos(wt - k z )式中的ex 、hy是电场、磁场振动方向上的单位矢量，其能流密度S为 S szE0H0cos2(wt - k z) S sz(n/ 0 c)(E0)2cos2(wt - k z)平均能流密度： S 为 S 在光探测器的响应时间内的积分。光强： I S (1/2) (n/ 0 c)(E0)2 (1/2) ( / )1/2 (E0)2 a (E0)2 在同一种介质中，光强与电场强度振幅的平方成正比。第二部分光波的特性5激光的基本

7、原理及特性6、平面光波 光波中包含有电场矢量和磁场矢量，从波的传播特性来看，它们处于同样的地位，但是从光与介质的相互作用来看，其作用不同。在通常应用的情况下，磁场的作用远比电场弱，甚至不起作用。因此，通常把光波中的电场矢量 E 称为光矢量，把电场 E 的振动称为光振动，在讨论光的波动特性时，只考虑电场矢量 E 即可。（1）、单色平面波 单色平面波的三角函数表示沿z 方向传播的平面光波，其电场表示式为 单色平面波的复数表示式 （2）、球面光波 一个各向同性的点光源,它向外发射的光波是球面光波，等相位面是以点光源为中心、随着距离的增大而逐渐扩展的同心球面。所以球面光波的振幅只随距离 R 变化。第二

8、部分光波的特性6激光的基本原理及特性7、光的偏振 平面光波是横电磁波，其矢量的振动方向与光波传播方向垂直。根据空间任一点电场 E 的矢量末端在不同时刻的轨迹不同，其偏振态可分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。8、光的干涉 光的波动性主要标志之一：两列波叠加后产生干涉现象。 光的干涉本质：光强重新分配。 相干的条件：同频率、同偏振、有固定的相位差。9、光的衍射 光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，所发生的偏离直线传播的现象。 光的衍射现象与光的干涉现象其实质都是相干光波叠加引起的光强的重新分布； 不同之处：光的干涉现象是有限个相干光波的叠加，光的衍射则是无限多个相干光波的叠加的结果。 衍射分为：夫琅和费衍射和菲涅耳衍射。 第二部分光波的特性7激光的基本原理及特性10、光学膜 光学薄膜 多光束干涉空气n1玻璃n2IiIrItR = (n1-n2)/(n1+n2)2 T = 4n1n2/(n1+n2)2n1n2n3R = (n1n3-(n2)2)/(n1n3+(n2)2)2空气玻璃MgF多层高反射膜HD 高反射膜为奇数层 层数越多，R越大 只对应一种波长第二部分光波的特性8激光的基本原理及特性6、光子状态的描述 测不准关系：位置与动量不能同时确定 在一个有限的空间里，光子数按动量和频