第六章光的电磁理论

第六章光的电磁理论第1页，共41页，2023年，2月20日，星期三一、物理光学的发展

光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波

热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用证明了光的量子性——微粒性。

爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。光具有波粒二象性，一切的微观粒子都有波粒二象性第2页，共41页，2023年，2月20日，星期三二、物理光学的研究内容物理光学：研究光的基本属性，传播规律和光与物质之间的相互作用。波动光学:从光的波动性出发研究光在传播过程中所发生的现象的学科，可比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传播时所表现出的现象。量子光学:从光子的性质出发,研究光与物质相互作用的学科。物理光学分为波动光学量子光学第3页，共41页，2023年，2月20日，星期三三、物理光学的应用1、军事和国防2、精密测量3、通讯4、医疗5、信息处理由此派生出很多交叉学科，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。

6、天文第4页，共41页，2023年，2月20日，星期三第六章光的电磁理论基础

1.光的电磁性质2.光的折射和反射3.光波的叠加第5页，共41页，2023年，2月20日，星期三麦克斯韦方程组的积分形式（交变场）高斯定理：法拉第定理：（涡旋定理）后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。变化的磁场产生涡旋电场变化的电场产生涡旋磁场位移电流－电场的变化传导电流－电荷的流动D：电感强度B：磁感强度E：电场强度H：磁场强度：磁通量

6.1光的电磁性质第6页，共41页，2023年，2月20日，星期三麦克斯韦方程揭示了电场、磁场的性质及电、磁场之间的联系。方程①：电场的高斯定律：电场可以是有源场；电力线必须从正电荷出发终止于负电荷。方程②：磁通连续定律：磁场是无源场；通过闭合面的磁通量等于零，磁力线是闭合的。方程③：法拉第电磁感应定律：变化磁场产生感应电场（涡旋场），其电力线是闭合的。方程④：安培全电流定律：传导电流和位移电流都对磁场的产生有贡献。总结：第7页，共41页，2023年，2月20日，星期三二、物质方程（描述物质在场作用下特性的方程）欧姆定律：电导率介电常数磁导率电磁场所在物质的性质基本物理量麦克斯韦方程组物质方程描述时变场情况下电磁场普遍规律第8页，共41页，2023年，2月20日，星期三2.电磁波电磁波谱短高无线电电视微波红外紫外X射线g射线1043´10-41081012101610203´1003´10-43´10-83´10-12频率(Hz)波长(m)第9页，共41页，2023年，2月20日，星期三1.平面简谐电磁波的波动公式相位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。等相面或波面某一时刻相位为常数的位置的轨迹波矢量k平面波的等相面是平面等相面法线方向，波能量的传播方向（各向同性介质），大小—波数等于四、平面电磁波及其性质平面电磁波:与传播方向正交的平面上各点电场或磁场具有相同值的波第10页，共41页，2023年，2月20日，星期三固定某一时刻

，看波在空间的分布：

固定空间某点

，随时间周期振动：

传播速度波长时间频率第11页，共41页，2023年，2月20日，星期三波动公式又可以表示为：平面电磁波是具有单一频率、在时间和空间上无限延伸的波。第12页，共41页，2023年，2月20日，星期三沿空间任一方向k传播的平面波方程关心光波在空间的分布。四、平面电磁波及其性质平面波的复数形式：1.平面电磁波方程第13页，共41页，2023年，2月20日，星期三2.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。

E和B同相位第14页，共41页，2023年，2月20日，星期三五、球面波和柱面波1、球面波球面波的等相面是r＝常量的球面2、柱面波柱面波的等相面是r＝常量的柱面第15页，共41页，2023年，2月20日，星期三

第二节光在电介质分界面上的反射和折射

1.电磁场的连续条件本质是光波的电磁场与物质相互作用在没有传导电流和自由电荷的介质中B和D的法向分量在界面上连续E和H的切向分量在界面上连续单色平面电磁波入射到两电介质表面时引起传播方向、振幅、相位、能量及偏振性的变化

第16页，共41页，2023年，2月20日，星期三

入射面：界面法线与入射光线组成的平面振动面：电场矢量的方向与入射光线组成的平面，电矢量所在的平面任一方向振动的光矢量E可分解成两个互相垂直的分量

p分量：平行于入射面振动

S分量：垂直于入射面振动几个概念2.反射定律和折射定律以S分量为例2n1q1n2q1q’oE1pE1sE’1sE’1pE2sE2pxz第17页，共41页，2023年，2月20日，星期三3.菲涅尔公式反射波、折射波与入射波振幅和位相关系以S分量为例由连续条件得E沿y方向分量连续H沿x方向分量连续当两介质2n1q1n2q1q’xzoE1SH1PH’1PE’1SH2PE2SH1xH‘1xH2x入射面xoz分界面xoy时第18页，共41页，2023年，2月20日，星期三

得s波的振幅反射系数和振幅透射系数同理得p波的振幅反射系数和振幅透射系数

第19页，共41页，2023年，2月20日，星期三(一）振幅关系

讨论

光疏到光密

光密到光疏第20页，共41页，2023年，2月20日，星期三(二）位相关系

光通过界面时折射光波不发生相位变化

折射波：

反射波：

n1<n2光疏到光密

S波对于任何发生了π

的位相变化P波没有位相变化全偏振发生了π

的位相变化第21页，共41页，2023年，2月20日，星期三S波P波没有位相变化全反射位相变化不是0或π全反射位相变化不是0或π发生了π

的位相变化全偏振没有位相变化(二）位相关系

n1>n2光密到光疏第22页，共41页，2023年，2月20日，星期三(三)、反射和折射时的偏振关系入射光是线偏振光反射、折射是线偏振光，方位发生偏转因为

≠

，≠入射光是自然光反射光中没有振动平行于入射面的分量P波··········2n1n1q2q1q,发生全偏振，反射光是偏振光入射角为布儒斯特角，即透射光为P波占优势的部分线偏振光。提供了一种起偏的方法布儒斯特定律第23页，共41页，2023年，2月20日，星期三4.全反射

光从光密介质射向光疏介质（n<1）时，若入射角

≥

（

）（称为临界角），则界面上所有的光都反射回第一媒质，第二媒质没有折射光，这种现象称为全反射。特点：反射时不损失能量位相变化：S波和P波位相变化不是0或π应用：纤维光学和集成光学中，传导光能，传递光学图像第24页，共41页，2023年，2月20日，星期三5.倏逝波

问题：

全反射时的表观现象：实验分析：

1、有折射光波进入第二媒质2、透入深度与入射波长有关3、振幅足够强时，将进入另一光密媒质，且按常规传播光从光密媒质界面上发生全反射时，透过界面进入第二媒质约波长量级，并沿着界面流过波长量级距离（古斯-哈森位移）后返回第一媒质，沿着反射波方向出射的波倏逝波：第二媒质中没有折射波场在界面上不连续第25页，共41页，2023年，2月20日，星期三第三节光波的叠加一、波的叠加原理

1.定义：2.叠加公式：

3.原理的理解

叠加结果为光波振动的矢量和，而不是光强的和。光波传播的独立性：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）。叠加的合矢量仍然满足波动方程的通解。一个实际的光场是许多个简谐波叠加的结果。叠加是线性的，但当光强很大时这种叠加原理不再适用第26页，共41页，2023年，2月20日，星期三二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加1.代数加法得到合振动第27页，共41页，2023年，2月20日，星期三2.相幅矢量加法相幅矢量A的表示：它的长度表示其某一光振动的振幅大小，与给定轴的夹角等于该光振动的相位。二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加相幅矢量加图解第28页，共41页，2023年，2月20日，星期三3.对叠加结果的分析：（主要对象为合成的光强）P点的合振动是一个简谐振动，振动频率和振动方向与两个单色光波相同合成的光强λ为真空中波长第29页，共41页，2023年，2月20日，星期三光程光在介质中的几何路程=×介质折射率=光在真空中的传播路程光程差对应光强的强弱是分析光的干涉光的衍射重要的物理量牢固树立光程差概念是求解干涉、衍射问题的方法光程差和相位差的关系第30页，共41页，2023年，2月20日，星期三

三、驻波两个频率相同、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。振幅为零的点振幅最大的点光强：与z无关，波不会在z方向上传播故这个波称为驻波第31页，共41页，2023年，2月20日，星期三驻波行波没有能量的传播激光谐振腔维纳实验（1890）证实了光驻波的存在光驻波现象伴随能量的传播波节波腹第32页，共41页，2023年，2月20日，星期三四、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：椭圆方程合振动的角频率为，合振动矢量末端运动轨迹方程为椭圆——椭圆偏振光第33页，共41页，2023年，2月20日，星期三椭圆形状的分析：()EyEx3π/2<δ<2πEyExδ=0EyEx0<δ<π/2EyExδ=π/2EyExπ/2<δ<πEyExδ=πEyExπ<δ<3π/2EyExδ=3π/2第34页，共41页，2023年，2月20日，星期三五、两个不同频率的单色光波的叠加由两个频率接近、振幅相同、振动方向相同且在同一方向传播的光形成。两个单色波合成波1.光学拍第35页，共41页，2023年，2月20日，星期三平均角频率平均波数调制角频率调制波数五、两个不同频率的单色光波的叠加第36页，共41页，2023年，2月20日，星期三lmA合成波是一个频率为而振幅受到调制的波振幅变化强度变化第37页，共41页，2023年，2月20日，星期三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。第38页，共41页，2023年，2月20日，星期三本节重点内容回顾1、波的叠加原理2、两个频率相同、振动方向相同的单色光波叠加3、驻波（频率相同、振动方向同、传播方向相反）4、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波叠加5、光学拍（小频率差、振动方向相同、传播方向相同、振幅相同）第39页，共41页，2023年，2月20