工程光学第9章课件

第九章光的电磁理论基础麦克斯韦从理论上推导电磁波传播速度等于光速，从而推论光也是电磁振动在空间的传播；赫兹在实验上证实了光波就是电磁波，从而产生并逐渐形成了光的电磁理论。基础知识准备：向量的点积假设向量u(ux,uy)和v(vx,vy)，u和v之间的夹角为α。点积定义为：

第九章光的电磁理论基础麦克斯韦从理论上推导电磁波传播速度等向量的点积为标量，是一向量在另一向量上的投影长度与该向量的长度乘积。向量的叉积向量u(ux,uy,uz),v(vx,vy,vz),两向量的叉积定义为：向量的点积为标量，是一向量在另一向量上的投影长度与该向量的长向量的叉积为一向量，该向量方向与参与叉积的两向量方向均垂直，为参与乘积的两向量所确定的平面的法线方向，且U,V,U×V方向满足右手准则。场的概念某物理量在空间的分布，即和空间坐标的函数关系就是所谓的场。如果是标量函数，就是标量场，如果是矢量函数就是矢量场。标量场：温度场；矢量场：速度场。向量的叉积为一向量，该向量方向与参与叉积的两向量方向均垂直，标量场的梯度标量场的梯度构成一个矢量场定义微分算子—哈密顿算子：则梯度可表示为：标量场的梯度标量场的梯度构成一个矢量场则梯度可表示为：矢量场的散度矢量场的散度构成一个标量场。矢量场的旋度矢量场的散度矢量场的散度构成一个标量场。矢量场的旋度矢量场的旋度仍然构成一个矢量场。拉普拉斯算子矢量场的旋度仍然构成一个矢量场。拉普拉斯算子第一节光的电磁性质一.电磁场的波动性1.麦克斯韦方程组传导电流或随时间变化的电场产生磁场—安培环路定律随时间变化的磁场产生电场-电磁感应定律空间无磁荷存在，磁力线闭合电荷密度的定义式第一节光的电磁性质一.电磁场的波动性1.麦克斯韦方H:磁场强度E：电场强度B:磁感强度D:电感强度H:磁场强度E：电场强度B:磁感强度D:电感强度麦克斯韦方程组概括了静电场和稳恒电流磁场的性质和时变场情况下电场和磁场之间的联系。介质的性质对电磁场的传播会带来影响，有以下的物质方程：麦克斯韦方程组概括了静电场和稳恒电流磁场的麦克斯韦方程组与物质方程一起组成一组完整的方程组，用于描写时变场情况下电磁场的普遍规律。麦克斯韦方程组与物质方程一起组成一组完整的2.电磁场的波动性E、B满足典型的波动微分方程：2.电磁场的波动性E、B满足典型的波动微分方程：二.平面电磁波及其性质1.平面简谐电磁波的波动公式平面波在与传播方向正交的平面各点电场和磁场具有相同的值，所以仅是z和t的函数。二.平面电磁波及其性质1.平面简谐电磁波的波动公式平面波波动微分方程为：考虑由源向外辐射电磁波情况，解得：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。传播的波动取决于源的振动形式。波动微分方程为：考虑由源向外辐射电磁波情况，解得：这是行波的取简谐振动作为波动方程特解，则：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。取简谐振动作为波动方程特解，则：位相是时间和空间坐标的函数，工程光学第9章课件沿空间任一方向k传播的平面波：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。2.平面电磁波的性质横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播方向。E、B、k互成右手螺旋系。复振幅：只关心光波在空间的分布。2.平面电磁波的性质横波特E和B同相，且例题9-1E和B同相，且例题9-1三.球面波和柱面波球面波：任意时刻波振面为球面的光波。球面的振幅与离开点源的距离成反比，相位相等的面是r=常数的面。发散球面波；汇聚球面波三.球面波和柱面波球面波：任意时刻波振面为球面的光波。球面柱面波：具有无限长圆柱波面的波，用一平面波照射一细长狭缝可获得接近于圆柱面形的柱面波。四.光波的辐射和辐射能物体发生辐射的物理过程和辐射规律1.电偶极子辐射模型柱面波：具有无限长圆柱波面的波，用一平面四.光波的辐射和辐原子可以看作是一个振荡的电偶极子，振荡的电偶极子必定在周围空间产生交变的电磁场，并以一定的速度传播，伴随能量的传递。若电偶极子作直线简谐振荡，偶极矩（电量和距离的乘积）为：则远离偶极子中心的某点的场为：原子可以看作是一个振荡的电偶极子，振荡的则远离偶极子中心的某标量形式：辐射电磁波是以偶极子中心为原点的发散波，振幅与距离有关，也与传播方向有关，在偶极子振动方向上，场强为零。标量形式：辐射电磁波是以偶极子中心实际光源发出的光波在时间上和空间不是无限连续的。空间上是有限长度的衰减振荡—波列；时间上波列持续的时间是原子两次碰撞的时间间隔。实际光源辐射的光波不具有偏振性—自然光。同一原子不同时刻发出的波列振动方向和相位是随机的；大量原子分子发出的波列相位和振动方向也是随机的2.对实际光波的认识实际光源发出的光波在时间上和空间不是无限2.对实际光波的认辐射强度S用于描述电磁能量的传播，其大小等于单位时间垂直通过单位面积的能量，其方向表示能量流动的方向。3.辐射能S是随时间快速变化的，其宏观表现为某一时间T内的平均值：电偶极子辐射强度的平均值与振荡振幅、辐射频率和方向角有关。辐射强度S用于描述电磁能量的传播，其大小3.辐射能S是随时辐射强度S的时间平均值称为光强，对于平面波，有：光强与平面波振幅矢量A的平方成正比。辐射强度S的时间平均值称为光强，光强与平面波振幅矢量A的平方第二节光在电介质分界面上的反射和折射一.电磁场的连续条件在没有传导电流和自由电荷的介质中，磁感应强度B和电感强度D的法向分量在界面上连续，电场强度E和磁场强度H的切向分量在界面上连续。连续条件建立了两种介质界面两边场量的联系。第二节光在电介质分界面上的反射和折射一.电磁场的连续条二.光在两介质分界面上的反射和折射（1）光波的入射面：界面法线和入射光线组成的平面。（2）光波的振动面：电场矢量的方向与入射光线组成的平面。（3）任一方位振动的光矢量E都可以分解成互相垂直的两个分量：p分量和s分量。

p分量平行于入射面；

s分量垂直于入射面。二.光在两介质分界面上的反射和折射（1）光波的入射面：界面对于一单色平面波，只考虑s分量情况，有：对于一单色平面波，工程光学第9章课件r为原点在界面上任一点O的位置矢量。根据连续条件可得：反射波、折射波、入射波频率相同。对于分界面上的任一位置矢量，可得：反射波矢量、折射波矢量、入射波矢量共面。r为原点在界面上任一点O的位置矢量。根据连续条件可得：反射波同时可得：反射定律和折射定律同时可得：反射定律和折射定律三.菲涅耳公式及其讨论1.菲涅耳公式菲涅耳公式给出了反射波、折射波与入射波的振幅和相位的关系。首先约定场矢量的取向：Es（Hs）正向沿y轴方向，且垂直纸面向外；Ep（Hp）的正向由右手定则给出。若考察的两个场有相同的相对取向，其场量的振幅比为正值，反之为负值。三.菲涅耳公式及其讨论1.菲涅耳公式菲涅耳公式给出了反S波的正向p波的正向S波的正向p波的正向根据连续条件，可得S波的菲涅耳公式：对于一般的非磁性物质（）振幅反射系数振幅透射系数根据连续条件，可得S波的菲涅耳公式：振幅反射系数振幅透射系数根据连续条件，同样可得p波的菲涅耳公式：对于一般的非磁性物质（）振幅反射系数振幅透射系数由上式可导出垂直入射的特殊情况的透射和反射系数根据连续条件，同样可得p波的菲涅耳公式：振幅反射系数振幅透射2.反射和折射时的振幅关系n=1.5n=1/1.52.反射和折射时的振幅关系n=1.5从光疏介质入射到光密介质时：ts、tp随入射角的增大而减小，rs随入射角的增大而增大。当：反射波中没有p波，只有s波，产生全偏振现象。从光密介质入射到光疏介质时：当：发生全反射现象。从光疏介质入射到光密介质时：从光密介质入射到光疏介质时：3.相位变化对于折射波，ts、tp都是正值，所以折射波和入射波的相位总是相同，光波通过界面不发生相位改变。对于反射波，情况比较复杂，如图所示：3.相位变化对于折射波，ts、tp都是正值，所以折射波和3.相位变化反射时，s波在界面上发生了π的相位变化，P波以为界，小于时，相位变化为零，大于时，相位变化π。对于对于当入射角时，相位改变是一个缓慢的过程，从零到π。3.相位变化反射时，s波在界面上发生了π的相位变化，对于3.相位变化当光在光疏-光密介质上反射时，对于正入射或掠入射情况，即：由菲涅尔公式，并考虑光传播方向的改变，可以看出反射光的光矢量发生了π相位的改变-半波损失。3.相位变化当光在光疏-光密介质上反射时，对于正入射由菲4.反射比和透射比入射波、反射波、投射波的能量关系。考虑界面上一单位面积：4.反射比和透射比入射波、反射波、投射波4.反射比和透射比所以：应用菲涅尔公式，可得s波和p波的反射比和透射比：4.反射比和透射比所以：应用菲涅尔公式，可得s波和p波的4.反射比和透射比影响反射比和透射比的因素除了介质性质和入射角以外，还与入射电矢量方位角有关：对于自然光，可以通过对所有可能的方位角对应的反射比求平均，得到：正入射的时候，自然光的反射比为：4.反射比和透射比影响反射比和透射比的因素除了介质性质和4.反射比和透射比即使在正入射的时候，反射损失也是存在的。增透膜5.反射和折射时的偏振关系由于一般情况下，所以反射光波和折射光波的振动面相对于入射光波的分界面将发生偏转。4.反射比和透射比即使在正入射的时候，5.反射和折射当入射光是自然光时，入射角满足：则反射光中没有p波，只有垂直于入射面振动的S波，发生全偏振，这时的入射角为起偏振角或布儒斯特角。此时折射光波含有全部p波和部分s波。玻片堆获取完全偏振光当入射光是自然光时，入射角满足：则反射光中没有p波，只有垂直带布儒斯特窗的激光谐振腔—获得单色线偏振光例题9-2例题9-3四.全反射光在界面上发生全发射时不损失能量。带布儒斯特窗的激光谐振腔—获得单色线偏振光例题9-2四.当入射角从θB变化到θc时,p波的反射比很快从零变化到1，变化急剧，当两介质折射率相差较大时，这种现象更明显—临界高精度对焦。当入射角从θB变化到θc时,p波的反射比很快从零变化到1，变光在界面上发生全反射时，光能全部反射回介质1，但是s波和p波的相位发生变化，变化量为：可以看出，s波和p波有不同的相位改变，两者之间有一相位差：光在界面上发生全反射时，光能全部反射回介质1，但是s波和p波如果入射光为线偏振光，当入射角刚好等于临界角或90度时，反射光的p波和s波的相位差为零，则反射光也为线偏振光，其他情况下，由于相位差的存在，反射光将成为椭圆偏振光。全反射时，光波不是绝对的在界面上被全部返回到第一介质，而是渗入第二介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回第一介质，沿反射光方向射出。这个沿介质表面流动的波—隐失波、倏逝波。如果入射光为线偏振光，当入射角刚好等于临界全反射时，光波不是可以看出，隐失波是一个沿x方向传播且振幅在Z方向作指数衰减的波，等幅面，等相面。通常定义振幅减小到界面处振幅1/e时的深度为穿透深度。可以看出，隐失波是一个沿x方向传播且振幅在通常定义振幅减小到隐失波的波长和传播速度分别为：研究表明，一束有限宽度的平行光全反射时，反射光产生侧向位移--古斯-哈恩森位移。隐失波的波长和传播速度分别为：研究表明，一束有限全反射现象的应用：没有透射损失---全反射棱镜、光纤；隐失波特性产生的受抑全反射效应—隐失波光调制器、近场扫描光学显微镜；全反射的相位变化特性---菲涅耳棱体，改变入射光的偏振状态。全反射现象的应用：没有透射损失---全反射棱镜、光纤；工程光学第9章课件工程光学第9章课件第三节光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射是光波在物质中传播时所发生的普遍现象，是光与物质相互作用的结果。一.光的吸收介质中的原子在光电磁波的作用下，成为一个振荡电偶极子，光波要消耗能量来激发电偶极子的振荡，电偶极子振荡的能量一部分以电磁次波的形式与入射波叠加为反射波和折射波，另一部分转化为其他形式的能量，这一部分能量损耗就是物质对光的吸收。第三节光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射是光波在物朗伯定律：一.光的吸收朗伯定律反应了光与物质的线性相互作用，在一般光源产生的光强不太强的光束是成立的。对于如激光这样的强光光束不再适用。比尔定律：朗伯定律：一.光的吸收朗伯定律反应了光与物质的线性相互作用一.光的吸收比尔定律在溶液浓度过大或溶剂分子明显的影响溶质分子对光的吸收时，不再成立。利用比尔定律可以测定溶液的浓度。各种物质对光的吸收能力差别很大；同时大多数物质在可见区的吸收具有波长选择性—物质呈现不同的颜色。物质吸收的光波选择性可以用吸收吸收系数和波长的关系曲线来表示。固体和液体在某一较长的波长范围吸收较强，且有极大值，这个范围称为吸收带。一.光的吸收比尔定律在溶液浓度过大或溶剂分子明显的影响各种一.光的吸收对于稀薄气体，吸收带很窄—吸收线。入射光波频率和原子、分子的固有振荡频率一致，产生共振，光波被强烈共振吸收—暗线吸收光谱。大量实验表明，物质的吸收线或吸收带的位置即波长值，与该物质的发射光谱线或光谱带相一致，即某种物质自身发射哪些波长的光，就强烈的吸收那些波长的光—元素光谱分析。一.光的吸收对于稀薄气体，吸收带很窄—吸收线。大量实验表明二.光的色散正常色散：物质透明区内的色散，折射率随光波长的增大而减小。反常色散：物质在吸收区内的色散，折射率随光波长的增大而增大。二.光的色散正常色散：物质透明反常色散：物质在吸收考察各种物质的全波段色散曲线，它由一系列正常色散曲线和反常色散曲线组成：色散的解释：在经典电子论看来，组成物质的原子有原子核和外层束缚电子以线性弹性力所维系，原子称为做阻尼振荡的电偶极子。考察各种物质的全波段色散曲线，它由一系列正色散的解释：在经典可得介质折射率与外界入射光频率的关系为：对于透明区，不考虑电偶极子做受迫振动所受阻力，阻尼系数为零，此时复介质折射率为实数，且折射率随光波频率的增大而减小—正常色散。可得介质折射率与外界入射光频率的关系为：对于透明区，不考虑电在共振频率附近的选择吸收区，此时阻尼系数不能忽略，复介质折射率的实部和虚部特征为：在共振频率附近的选择吸收区，当物质中带有一系列特性的带电粒子，则折射率表现为全波段色散形式。三.光的散射瑞利散射：散射粒子线度比波长小得多的粒子对光波的散射。例如大气中灰尘、烟、雾等悬浮微粒所引起的散射。在纯净的流体中，由于分子热运动造成的密度局部涨落所引起的所谓分子散射也属于瑞利散射。一般说来，分子散射的光强是十分微弱的。当物质中带有一系列瑞利散射的光强与入射光波长的4次方成反比，所以散射光中短波长占优势—蓝色天空。长波光具有更强的透射力。瑞利散射的光强随观察方向而变：瑞利散射光具有偏振性:在垂直于入射方向上的散射光是线偏振光；在入射方向及其逆方向，自然光；其他方向部分偏振光。瑞利散射的光强与入射光波长的4次方成反比，瑞利散射的光强随观当微粒线度与波长可以比拟或比波长大时，瑞利定律不再适用，当微粒线度大于10倍波长时的散射--米氏散射。喇曼散射布里渊散射在现代光学和激光光学中广泛应用。当微粒线度与波长可以比拟或比波长大时，瑞喇曼散射第四节光波的叠加一.波的叠加原理：几个波在相遇点产生的合振动是各个波在该点产生振动的矢量和。叠加结果为光波振幅的矢量和，而不是光强的和。两个光波相遇后又分开，每个光波仍然保持原有的特性（频率、波长、振动方向、传播方向等）--体现了光波传播的独立性。第四节光波的叠加一.波的叠加原理：叠加结果为光波振幅光波的叠加原理也是介质对光波电磁场作用线性响应的一种反映。当光波的强度较大时，介质将产生非线性，线性叠加原理不再适用。二.两个频率相同、振动方向相同的单色光波叠加光波的叠加原理也是介质对光波电磁场作用线性二.两个频率相同P点的合振动也是一个简谐振动，其振动频率和方向与单色光波相同，振幅和初相位由上式决定。P点的合振动也是一个简谐振动，其振动频率和工程光学第9章课件因为，光强是位置的函数；只要光源的初位相不变就会在光波叠加区里形成强弱稳定的光强分布－－干涉现象。相干光波和相干光源：一个理想的单色光源可以认为是简谐波，初相位是不变的，一定是相干光波。因为，光强是位置的函数三、驻波在波的传播路径上，对于介质不同点有不同振幅两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反的单色光波的叠加将形成驻波。垂直入射的光波和它的反射光波之间将形成驻波。三、驻波两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反的入射波反射波入射波反射波四、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加合振动的大小和方向随时间变化，合振动矢量末端运动轨迹方程为：四、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加合振动的大小和把合矢量以角速度ω周期旋转，其矢量末端运动轨迹为椭圆的光称为椭圆偏振光。把合矢量以角速度ω右旋光：迎着光的传播方向观察，合矢量顺时针方向旋转。左旋光：迎着光的传播方向观察，合矢量逆时针方向旋转。右旋光：迎着光的传播左旋光：迎着光的传播工程光学第9章课件（合成光波的强度随位置和时间而变化的现象）光学拍是由两个频率接近、振幅相同、振动方向相同且在同一方向传播的光形成的。五、光学拍（合成光波的强度随位置和时间而变化的现象）光学拍是由两个频率五、光学拍五、光学拍五、光学拍五、光学拍五、光学拍五、光学拍五、光学拍合成波的强度随时间和位置而变化的现象称为拍。其频率称拍频：拍频的应用：利用已知的一个光频率w1，测量另一个未知的光频率w2。六、群速度和相速度相速度：等位相面传播的速度。五、光学拍合成波的强度随时间和位置而变化的现象称为拍频的应用六、群速度和相速度z或t六、群速度和相速度z或t六、群速度和相速度群速度：等振幅面传播的速度。z或t六、群速度和相速度群速度：等振幅面传播的速度。z或t六、群速度和相速度在真空中传播时，波速相同，相速度和群速度相等。在色散介质中传播时，不同频率的光波传播速度不同，合成波形在传播过程中会不断地变化，相速度和群速度便不同了。六、群速度和相速度在真空中传播时，波速相同，相速度和群速度相第五节光波的傅立叶分析波列存在的时间越大，光波的单色性越好。第五节光波的傅立叶分析波列存在的时间越大，光波的单色性越第九章光的电磁理论基础麦克斯韦从理论上推导电磁波传播速度等于光速，从而推论光也是电磁振动在空间的传播；赫兹在实验上证实了光波就是电磁波，从而产生并逐渐形成了光的电磁理论。基础知识准备：向量的点积假设向量u(ux,uy)和v(vx,vy)，u和v之间的夹角为α。点积定义为：

第九章光的电磁理论基础麦克斯韦从理论上推导电磁波传播速度等向量的点积为标量，是一向量在另一向量上的投影长度与该向量的长度乘积。向量的叉积向量u(ux,uy,uz),v(vx,vy,vz),两向量的叉积定义为：向量的点积为标量，是一向量在另一向量上的投影长度与该向量的长向量的叉积为一向量，该向量方向与参与叉积的两向量方向均垂直，为参与乘积的两向量所确定的平面的法线方向，且U,V,U×V方向满足右手准则。场的概念某物理量在空间的分布，即和空间坐标的函数关系就是所谓的场。如果是标量函数，就是标量场，如果是矢量函数就是矢量场。标量场：温度场；矢量场：速度场。向量的叉积为一向量，该向量方向与参与叉积的两向量方向均垂直，标量场的梯度标量场的梯度构成一个矢量场定义微分算子—哈密顿算子：则梯度可表示为：标量场的梯度标量场的梯度构成一个矢量场则梯度可表示为：矢量场的散度矢量场的散度构成一个标量场。矢量场的旋度矢量场的散度矢量场的散度构成一个标量场。矢量场的旋度矢量场的旋度仍然构成一个矢量场。拉普拉斯算子矢量场的旋度仍然构成一个矢量场。拉普拉斯算子第一节光的电磁性质一.电磁场的波动性1.麦克斯韦方程组传导电流或随时间变化的电场产生磁场—安培环路定律随时间变化的磁场产生电场-电磁感应定律空间无磁荷存在，磁力线闭合电荷密度的定义式第一节光的电磁性质一.电磁场的波动性1.麦克斯韦方H:磁场强度E：电场强度B:磁感强度D:电感强度H:磁场强度E：电场强度B:磁感强度D:电感强度麦克斯韦方程组概括了静电场和稳恒电流磁场的性质和时变场情况下电场和磁场之间的联系。介质的性质对电磁场的传播会带来影响，有以下的物质方程：麦克斯韦方程组概括了静电场和稳恒电流磁场的麦克斯韦方程组与物质方程一起组成一组完整的方程组，用于描写时变场情况下电磁场的普遍规律。麦克斯韦方程组与物质方程一起组成一组完整的2.电磁场的波动性E、B满足典型的波动微分方程：2.电磁场的波动性E、B满足典型的波动微分方程：二.平面电磁波及其性质1.平面简谐电磁波的波动公式平面波在与传播方向正交的平面各点电场和磁场具有相同的值，所以仅是z和t的函数。二.平面电磁波及其性质1.平面简谐电磁波的波动公式平面波波动微分方程为：考虑由源向外辐射电磁波情况，解得：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。传播的波动取决于源的振动形式。波动微分方程为：考虑由源向外辐射电磁波情况，解得：这是行波的取简谐振动作为波动方程特解，则：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。取简谐振动作为波动方程特解，则：位相是时间和空间坐标的函数，工程光学第9章课件沿空间任一方向k传播的平面波：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。2.平面电磁波的性质横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播方向。E、B、k互成右手螺旋系。复振幅：只关心光波在空间的分布。2.平面电磁波的性质横波特E和B同相，且例题9-1E和B同相，且例题9-1三.球面波和柱面波球面波：任意时刻波振面为球面的光波。球面的振幅与离开点源的距离成反比，相位相等的面是r=常数的面。发散球面波；汇聚球面波三.球面波和柱面波球面波：任意时刻波振面为球面的光波。球面柱面波：具有无限长圆柱波面的波，用一平面波照射一细长狭缝可获得接近于圆柱面形的柱面波。四.光波的辐射和辐射能物体发生辐射的物理过程和辐射规律1.电偶极子辐射模型柱面波：具有无限长圆柱波面的波，用一平面四.光波的辐射和辐原子可以看作是一个振荡的电偶极子，振荡的电偶极子必定在周围空间产生交变的电磁场，并以一定的速度传播，伴随能量的传递。若电偶极子作直线简谐振荡，偶极矩（电量和距离的乘积）为：则远离偶极子中心的某点的场为：原子可以看作是一个振荡的电偶极子，振荡的则远离偶极子中心的某标量形式：辐射电磁波是以偶极子中心为原点的发散波，振幅与距离有关，也与传播方向有关，在偶极子振动方向上，场强为零。标量形式：辐射电磁波是以偶极子中心实际光源发出的光波在时间上和空间不是无限连续的。空间上是有限长度的衰减振荡—波列；时间上波列持续的时间是原子两次碰撞的时间间隔。实际光源辐射的光波不具有偏振性—自然光。同一原子不同时刻发出的波列振动方向和相位是随机的；大量原子分子发出的波列相位和振动方向也是随机的2.对实际光波的认识实际光源发出的光波在时间上和空间不是无限2.对实际光波的认辐射强度S用于描述电磁能量的传播，其大小等于单位时间垂直通过单位面积的能量，其方向表示能量流动的方向。3.辐射能S是随时间快速变化的，其宏观表现为某一时间T内的平均值：电偶极子辐射强度的平均值与振荡振幅、辐射频率和方向角有关。辐射强度S用于描述电磁能量的传播，其大小3.辐射能S是随时辐射强度S的时间平均值称为光强，对于平面波，有：光强与平面波振幅矢量A的平方成正比。辐射强度S的时间平均值称为光强，光强与平面波振幅矢量A的平方第二节光在电介质分界面上的反射和折射一.电磁场的连续条件在没有传导电流和自由电荷的介质中，磁感应强度B和电感强度D的法向分量在界面上连续，电场强度E和磁场强度H的切向分量在界面上连续。连续条件建立了两种介质界面两边场量的联系。第二节光在电介质分界面上的反射和折射一.电磁场的连续条二.光在两介质分界面上的反射和折射（1）光波的入射面：界面法线和入射光线组成的平面。（2）光波的振动面：电场矢量的方向与入射光线组成的平面。（3）任一方位振动的光矢量E都可以分解成互相垂直的两个分量：p分量和s分量。

p分量平行于入射面；

s分量垂直于入射面。二.光在两介质分界面上的反射和折射（1）光波的入射面：界面对于一单色平面波，只考虑s分量情况，有：对于一单色平面波，工程光学第9章课件r为原点在界面上任一点O的位置矢量。根据连续条件可得：反射波、折射波、入射波频率相同。对于分界面上的任一位置矢量，可得：反射波矢量、折射波矢量、入射波矢量共面。r为原点在界面上任一点O的位置矢量。根据连续条件可得：反射波同时可得：反射定律和折射定律同时可得：反射定律和折射定律三.菲涅耳公式及其讨论1.菲涅耳公式菲涅耳公式给出了反射波、折射波与入射波的振幅和相位的关系。首先约定场矢量的取向：Es（Hs）正向沿y轴方向，且垂直纸面向外；Ep（Hp）的正向由右手定则给出。若考察的两个场有相同的相对取向，其场量的振幅比为正值，反之为负值。三.菲涅耳公式及其讨论1.菲涅耳公式菲涅耳公式给出了反S波的正向p波的正向S波的正向p波的正向根据连续条件，可得S波的菲涅耳公式：对于一般的非磁性物质（）振幅反射系数振幅透射系数根据连续条件，可得S波的菲涅耳公式：振幅反射系数振幅透射系数根据连续条件，同样可得p波的菲涅耳公式：对于一般的非磁性物质（）振幅反射系数振幅透射系数由上式可导出垂直入射的特殊情况的透射和反射系数根据连续条件，同样可得p波的菲涅耳公式：振幅反射系数振幅透射2.反射和折射时的振幅关系n=1.5n=1/1.52.反射和折射时的振幅关系n=1.5从光疏介质入射到光密介质时：ts、tp随入射角的增大而减小，rs随入射角的增大而增大。当：反射波中没有p波，只有s波，产生全偏振现象。从光密介质入射到光疏介质时：当：发生全反射现象。从光疏介质入射到光密介质时：从光密介质入射到光疏介质时：3.相位变化对于折射波，ts、tp都是正值，所以折射波和入射波的相位总是相同，光波通过界面不发生相位改变。对于反射波，情况比较复杂，如图所示：3.相位变化对于折射波，ts、tp都是正值，所以折射波和3.相位变化反射时，s波在界面上发生了π的相位变化，P波以为界，小于时，相位变化为零，大于时，相位变化π。对于对于当入射角时，相位改变是一个缓慢的过程，从零到π。3.相位变化反射时，s波在界面上发生了π的相位变化，对于3.相位变化当光在光疏-光密介质上反射时，对于正入射或掠入射情况，即：由菲涅尔公式，并考虑光传播方向的改变，可以看出反射光的光矢量发生了π相位的改变-半波损失。3.相位变化当光在光疏-光密介质上反射时，对于正入射由菲4.反射比和透射比入射波、反射波、投射波的能量关系。考虑界面上一单位面积：4.反射比和透射比入射波、反射波、投射波4.反射比和透射比所以：应用菲涅尔公式，可得s波和p波的反射比和透射比：4.反射比和透射比所以：应用菲涅尔公式，可得s波和p波的4.反射比和透射比影响反射比和透射比的因素除了介质性质和入射角以外，还与入射电矢量方位角有关：对于自然光，可以通过对所有可能的方位角对应的反射比求平均，得到：正入射的时候，自然光的反射比为：4.反射比和透射比影响反射比和透射比的因素除了介质性质和4.反射比和透射比即使在正入射的时候，反射损失也是存在的。增透膜5.反射和折射时的偏振关系由于一般情况下，所以反射光波和折射光波的振动面相对于入射光波的分界面将发生偏转。4.反射比和透射比即使在正入射的时候，5.反射和折射当入射光是自然光时，入射角满足：则反射光中没有p波，只有垂直于入射面振动的S波，发生全偏振，这时的入射角为起偏振角或布儒斯特角。此时折射光波含有全部p波和部分s波。玻片堆获取完全偏振光当入射光是自然光时，入射角满足：则反射光中没有p波，只有垂直带布儒斯特窗的激光谐振腔—获得单色线偏振光例题9-2例题9-3四.全反射光在界面上发生全发射时不损失能量。带布儒斯特窗的激光谐振腔—获得单色线偏振光例题9-2四.当入射角从θB变化到θc时,p波的反射比很快从零变化到1，变化急剧，当两介质折射率相差较大时，这种现象更明显—临界高精度对焦。当入射角从θB变化到θc时,p波的反射比很快从零变化到1，变光在界面上发生全反射时，光能全部反射回介质1，但是s波和p波的相位发生变化，变化量为：可以看出，s波和p波有不同的相位改变，两者之间有一相位差：光在界面上发生全反射时，光能全部反射回介质1，但是s波和p波如果入射光为线偏振光，当入射角刚好等于临界角或90度时，反射光的p波和s波的相位差为零，则反射光也为线偏振光，其他情况下，由于相位差的存在，反射光将成为椭圆偏振光。全反射时，光波不是绝对的在界面上被全部返回到第一介质，而是渗入第二介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回第一介质，沿反射光方向射出。这个沿介质表面流动的波—隐失波、倏逝波。如果入射光为线偏振光，当入射角刚好等于临界全反射时，光波不是可以看出，隐失波是一个沿x方向传播且振幅在Z方向作指数衰减的波，等幅面，等相面。通常定义振幅减小到界面处振幅1/e时的深度为穿透深度。可以看出，隐失波是一个沿x方向传播且振幅在通常定义振幅减小到隐失波的波长和传播速度分别为：研究表明，一束有限宽度的平行光全反射时，反射光产生侧向位移--古斯-哈恩森位移。隐失波的波长和传播速度分别为：研究表明，一束有限全反射现象的应用：没有透射损失---全反射棱镜、光纤；隐失波特性产生的受抑全反射效应—隐失波光调制器、近场扫描光学显微镜；全反射的相位变化特性---菲涅耳棱体，改变入射光的偏振状态。全反射现象的应用：没有透射损失---全反射棱镜、光纤；工程光学第9章课件工程光学第9章课件第三节光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射是光波在物质中传播时所发生的普遍现象，是光与物质相互作用的结果。一.光的吸收介质中的原子在光电磁波的作用下，成为一个振荡电偶极子，光波要消耗能量来激发电偶极子的振荡，电偶极子振荡的能量一部分以电磁次波的形式与入射波叠加为反射波和折射波，另一部分转化为其他形式的能量，这一部分能量损耗就是物质对光的吸收。第三节光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射是光波在物朗伯定律：一.光的吸收朗伯定律反应了光与物质的线性相互作用，在一般光源产生的光强不太强的光束是成立的。对于如激光这样的强光光束不再适用。比尔定律：朗伯定律：一.光的吸收朗伯定律反应了光与物质的线性相互作用一.光的吸收比尔定律在溶液浓度过大或溶剂分子明显的影响溶质分子对光的吸收时，不再成立。利用比尔定律可以测定溶液的浓度。各种物质对光的吸收能力差别很大；同时大多数物质在可见区的吸收具有波长选择性—物质呈现不同的颜色。物质吸收的光波选择性可以用吸收吸收系数和波长的关系曲线来表示。固体和液体在某一较长的波长范围吸收较强，且有极大值，这个范围称为吸收带。一.光的吸收比尔定律在溶液浓度过大或溶剂分子明显的影响各种一.光的吸收对于稀薄气体，吸收带很窄—吸收线。入射光波频率和原子、分子的固有振荡频率一致，产生共振，光波被强烈共振吸收—暗线吸收光谱。大量实验表明，物质的吸收线或吸收带的位置即波长值，与该物质的发射光谱线或光谱带相一致，即某种物质自身发射哪些波长的光，就强烈的吸收那些波长的光—元素光谱分析。一.光的吸收对于稀薄气体，吸收带很窄—吸收线。大量实验表明二.光的色散正常色散：物质透明区内的色散，折射率随光波长的增大而减小。反常色散：物质在吸收区内的色散，折射率随光波长的增大而增大。二.光的色散正常色散：物质透明反常色散：物质在吸收考察各种物质的全波段色散曲线，它由一系列正常色散曲线和反常色散曲线组成：色散的解释：在经典电子论看来，组成物质的原子有原子核和外层束缚电子以线性弹性力所维系，原子称为做阻尼振荡的电偶极子。考察各种物质的全波段色散曲线，它由一系列正色散的解释：在经典可得介质折射率与外界入射光频率的关系为：对于透明区，不考虑电偶极子做受迫振动所受阻力，阻尼系数为零，此时复介质折射率为实数，且折射率随光波频率的增大而减小—正常色散。可得介质折射率与外界入射光频率的关系为：对于透明区，不考虑电在共振频率附近的选择吸收区，此时阻尼系数不能忽略，复介质折射率的实部和虚部特征为：在共振频率附近的选择吸收区，当物质中带有一系列特性的带电粒子，则折射率表现为全波段色散形式。三.光的散射瑞利散射：散射粒子线度比波长小得多的粒子对光波的散射。例如大气中灰尘、烟、雾等悬浮微粒所引起的散射。在纯净的流体中，由于分子热运动造成的密度局部涨落所引起的所谓分子散射也属于瑞利散射。一般说来，分子散射的光强是十分微弱的。当物质中带有一系列