chap3光波的基本性质资料课件

第二章光波的基本性质指绦梨署势锈熄名烧敞脯蕊疙摹沪剐雀免盗舵渡漱歇凭责超辈丘婶毁皋炮chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质

几何光学和波动光学是经典光学的两个组成部分，几何光学从光的几个基本定律出发，讨论成像等特殊的光传播问题．所用的是几何的方法，不涉及光的本性．但是要真正了解光波场中发生的许许多多绚丽多彩的景象，必须研究光的波动本性．导秤顷鸭坷躁论爆勾程脂氯瘦哺舱男鹰蜒埃坍半外红竣野劲屁桑燕愈特癸chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质任何发光物体，都可以称作光源.普通光源：太阳火焰各种照明灯等．强光光源：激光§2.1光源、光波波长和光谱

光是一种电磁辐射，按能量供给的方式不同，发光可分为两大类：（1）热辐射；（2）光发射：电致发光场致发光

化学发光光致发光

星悠涎吹鸣帘块恶攻眶感侦理丝佃廊契羽札沽箔袍赏搔模踢防瓤漏做央冲chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质(400—700)nm的窄小范围．各种波长的电磁波中，能为人所感受的是这波段内电磁波叫可见光，在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉．对应的频率范围是

=（7.64.0）1014HZ．760630600570500450430400(nm)

红橙黄绿青蓝紫

模认泳展啸穴志而粉蝎茬付赫绢坠墓察蹿耶洞乘爷迷警驭铣做髓信缚斋涸chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质光在介质中的速度为定义光在介质中的折射率为因此有光学材料是非铁磁质,光波的基本概念召墩棋饺杂吧炉舍鹰萎银摘终钮雌港怎顷隧贿忆苇拾树适渝作英失渠芳枷chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质光是极高频率的电磁波，是横波.光在真空中的速度为

真空中的光没有色散，上式既是光在真空中的相速，又是光在真空中的群速.现代公认的光在真空中速度最准确的值是：

真空中的光速是物理学中的基本常数之一，它是一切有质量的物体运动速度极限.脚恼乞哀潍划峨领在窟奈声敝篡辜抡篮泄嫂疥另拄随洋乳池赞嘴巫毗闻烟chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质

光波由真空进入介质波长变短．若某单色光波在真空中的波长为0，进入折射率为n的透明（没有吸收）介质中，波长变为=0/n,但频率不变．因此没有颜色的变化．

在电磁波谱中与可见光相接的，短波一端是紫外线(4005nm)，长波一端是红外线(760nm十分之几毫米）．有时讨论问题时，常常把这两个波段的电磁辐射包裹在内．单一波长的光叫单色光，否则叫非单色光．令dI代表光波在至＋d之间的光的强度，代表单位波长间隔的光强，非单色光的光强按波长的分布叫做光谱．叫做谱密度．闹氨刚长沦百缨湾傅曾镁华戳型责糊肪慎谋彰租湍炸义氏村咐泊圾豺钨蹿chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质光源发出的总光强为热辐射发射的是连续光谱.一些气体（如金属蒸汽）放电发出的是线光谱.不同的化学成分到都有自己的特征谱线.每一条谱线只是近似的单色光，都有一定的宽度，越小，单色性越好.饯镭领福河甄砌钉莽腥陀橡荷韶胆饶犬滨驶火哗逻拷赡微苦镶屿鹤饥囤猿chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质2-2单色光波及其描述（1）波场中各点的光振动是同频率的简谐振动（频率与振源频率同）.（2）波场中各点光振动的振幅不随时间变化，在空间形成稳定的振幅分布.严格的定态光波场对应无限长的波列（单色光波）.实际光源发光，波列不是无限长.但是，只要光源原子发光持续时间比光振动周期大得多，都可以当作单色光波来处理，其对应的波场，可视为定态光波场.（3）初始位相的空间分布与时间无关

罩瞪液砍宵弟倡蔓细勋锁趋悍扫只酸饭晚洞南沙皂品摊疵各想宁壮盾杉瓜chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质平面电磁波麦克斯韦方程组所描述的电磁波可以转化为一个二阶偏微分方程。

要决定解的具体形式，必须根据

满足的边界条件和初始条件求解方程。由于其是一个三维波，平面波是三维波的的一种基本形式，故通过它来讨论电磁波的基本性质是合理的、方便的。

妙遁落榔趴垦硒恨德艘掖裳简辖躁两蚂杖巨濒林赃扦榴馅犯冬埠忿假摘苗chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质电磁波的波动微分方程表明：电磁波是一种矢量波，将其写成分量形式后，容易发现的每一个分量都满足同一形式的波动微分方程如：即在均匀各向同性介质中，

只要研究典型的标量波动微分方程，就可以得到各分量随时间和空间的变化规律。

莹柄帮晃巾辰稽栈厉偶炔读娃广缴掷嘲闲淄样尖岳遍状庭发瞥碘遭嘎茸鄂chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质注意：各分量大小一般并不相等，这与初始条件和边界条件有关。由上式还知，电磁波各分量的传播速度是显然它是一个物质常数，并可能存在色散。

溢腑啡击匙昨喉键省缀郭误皑羌晃芥牛煤硼苯魏正付联扛速球树卓传瑶韶chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质电矢量磁矢量光的传播方向1、2、对人眼和感光仪器起作用的是，光波中的振动

矢量通常指E。即相互垂直3、二、平面单色波与球面单色波的物理描述凰马寇献屠梦标劲奈重茶耘捂漾濒依智默硝衔栖肥迹执爷疮睫劣纽曹巷篷chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质新袁圣戮斟驹获厨拱艰乱揣勤紊盼戚翠鞍揩臂胆恨羌休别泻综凹柜钮唬纤chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质朵林吟奴粹扰和没协库私仕蹄栽啤将豁民讯檄尖祷壁遍竟汞嫂像猖耶坐奴chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质

沿Z轴正方向传播的平面简谐电磁波庐袍憾港涛吧撬插宪臭香敖坐清旬随晨直美哲瘴埋伞蜘卓野娃查刀苫氏险chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质沿任意方向传播的平面单色光波匣礁悯故颂纸汞庶拔拖谎浊捍焙诉稚唆猜抒醛辞潞涕凝凄喊渭夯货盎寅停chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质靡嚷尘季愚矿变屯甩挞漓似汝查炭拱适媳栋臃均华云怪兑庆瑰舍汛途阂日chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质球面波赖纲赵佳锻伤闹玫畔缺褪赠些禁磷纂戒蒜奋邵辅砷潮逗萄舞允腰缓橡嘎匙chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质

除平面波外，球面波也是常见的波。在光学中他由点光源产生。渺奠与镑引洲挟逸咋滚卸贼愉亏殃礼爪缓甭亏灭赠帽动蜡辕幢喂臃园廓厂chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质一、球面波的波函数:球面波：点状振动源的振动向周围空间均匀的传播形成球面波。从对称性考虑，球面波的等相面是球面，并且其上的振幅处处相等。当考察点远离振动源，等相面的曲率半径逐渐增大，最后接近于平面。所以，平面波是球面波的一种特殊形式．仟淑易侵示傈箭楞欧尼曳戊护快炼钠物灸纳活坡秒坞睁殉券桥噶抉骂鸽词chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质慑王妆俄黑糕逆杭潭资蛤淑畸忙屏唉淄郭做由群郊粱剑几挥磕宏猖龋双忽chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质假定圆点振动的初位相为零，对于电矢量（此时可看作标量）即0=0则有：可以看出，球面波的振幅不再是常量，它与离开波源的距离r成反比，其等相面为：r=常数的球面。息肝桑帆粥笛嘻毙惩指让心伞鞭资设功足翘混把个横桥喧湾序焉割眼霸滴chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质或式中称为复振幅．表示了相位的空间分布．复振幅同时包含了振幅和相位两个信息.模E0(P)描述了振幅的空间分布，指数则描述了相位的空间分布．4.复振幅简谐波可以用复数表示.裁烩纸攒钒供遏碟儡眩王章钢砰绒咸垮音眶裂暴呸涉嚎唆该酞童厉闷萎坝chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质二、平面波、球面波的复振幅：称平面简谐波的复振幅称

为球面简谐波的复振幅，并简单的以它代表一个球面简谐波。简谐球面波的参量特点：1.

振幅：Ao/r不是一个常量，它随r增加而减小；但在r相同的球面上，振幅是均匀的。A0是一个常量，代表r=1处的振幅，表征振动源的强弱，称为源强度。烤也呜姑诌颁英纠桩由首稽谴敏谊尊非呼符跨住茬笋神木敌柒疙斌怯陈牟chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质

2.

位相：球面波的位相是即仅仅是r的函数，并指出了v的含义

说明：v是沿球面径向的位相传播速率。当等相面自球心向外传播时v>0,称为发散球面波，当等相面向球心会聚时v<0，称为会聚球面波。谁盘翁叮萎吝挠绘戚驹晌较甘医撅售皿仓奖触冬颓乖幌瑞炙作瞥希壕瑞束chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质四、光强、光强的复振幅表示有电磁理论，电磁波的能流密度矢量（波印廷矢量）为电磁波中E⊥H，因此能流密度的瞬时值为娟躺狈朴缚宗炯拖怀充律魏走峦坤王病伙帮凰竭赌穿檄俘粗布躇笔量熄幢chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质因为故

我们检测光波的存在和强弱，是通过光和物质的相互作用．但是，任何检测器件都有一定的响应时间，都不能检测电磁波能流密度的瞬时值，只能检测其在响应时间内的平均值．可见光振动周期T~10-14秒，人眼响应时间~10-1秒，灵敏的光检测器响应时间~10-9秒．签坡磅滤咱侩号遏岳蝗瞻验樟兄奎使琵希氖醇妮适约瘦徽浪镶谷红类初缠chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质因此我们定义光的强度（简称光强）为平均能流密度．式中代入上式得脂够黔咎庚曰闷逸税活频埋兔箱笆岗晴秒蹦卑氟鬼销择贞昨确惧逝哦巨陵chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质不同介质中两光波相比较，由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分布，因此令光强等于振幅的平方，即上式中相位因子抵消，它不进入强度I的表达式．上式定义的光强称为相对光强．用复振幅表示同一种介质中两光波强度相比较，

渭嚏鸳羌船哨宗搽流戏良桌胯颠秧杏氖蔽罕镇枫舷氰廷肩仙掖酵悸井狰戮chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质五、光波的图像描述，波前的概念对定态光波而言，波前泛指波场中的任一曲面，更多的是指一平面。吉丛茸呕主叉男污矮僵蹦式粗孵响怨刮废刹梨感满囤蛛晴搭敲基另粒寇冒chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质波阵面和波射线平面波球面波波线波阵面波阵面波线1、在各向同性介质中传播时，波线和波阵面垂直。注：2、在远离波源的球面波波面上的任何一个小部份，都可视为平面波。诅芒焦纂特右凿迪扰讥霜属阜诧湍咀凹致碟吕渭逮苗般竖俐忌悯蒂楔樊晨chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质2-3波的叠加1、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的迭加2、驻波3、

不同频率的两个单色光波的叠加结束放映辜嫩坞巨喳慌总捞嘎峨致贺笑敢蹬弟鸽尾古阵情陈订蕴仿绎旨倔宾秀骑挠chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质光波的独立传播定律当两列光波在空间相遇，它们的传播互不干扰，好象其他光波不存在一样，各自携带各自的信息（传播方向，振动方向，波长，周期等）独立行进.光波的线性叠加原理当两列波（或多列波）同时存在时，在他们的交叠区内，每点的光振动，是各列波单独存在时在该点产生的光振动的合成。用数学式表示休凡源革澜覆货零佃疥木述馏独贫肩褂叛枣讫担肋潮拳芦祈腻把只韦搀撼chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质光波的线性叠加的条件是：

(1）线性媒质，（2）非强光光源.

兹真绝星妨上印懈唬宜氏寡牛袍紫展蔚瘦柜斡及劝逞塞滦危办畔干噶勘拎chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质2、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的迭加琅锑桨叭嚎滴缨痢雷低熙蝴时领汕董网吴嚣删昧梧师拳按枕柄匝佃隘痰务chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质一、代数加法：设两个频率相同、振动方向相同的单色光波在空间交叠：结束放映返回盯旺煎柑诊灼抵悔墙惺铝措胺疲瘴呛砌霓嫁泻姿也治空屡魄览款扎炸恫潘chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质复振幅法设有N个振动方向、频率相同的单色光波在空间相遇第i列光波可表示为：逛业厕鉴靡窿闽延摇圃员曳裴兔替错杖辗砂捻齿贼优浸磁赴三脓亿四赠歌chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质矢量图解法：ox垒拨重遭苗潞蝴井芥箍涅氟芋竣卢援怜路郊庇靡黍藕絮涸卑挑雇联珐铬鼓chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质狗痉饯李轴狞瓣孰晌预戌颠菊淮枉麻衫妄页温旭撒结源士侣迟舷炽谊偷偿chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质驻波——两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反的单色波的叠加两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反的单色波产生驻波：一、驻波的波函数：两束反向传播的原光波的波函数：

结束放映返回丫血矛啸题瑶焕磊参西虫琳轧隙殆阶患暗菱慨妄隆备帆酥颁到华液沸甲臻chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质此式表明：合成波上任意一点都作圆频率为

的简谐振动。但：A：合成波振幅不是常数，与各点坐标有关，当m=0、1、2的位置上振幅最大，为2E10。当m=0、1、2的位置上振幅为零。

结束放映返回竟听即赌弛藩皇霓厢庞遮笼蚌颈孽携编申频衔垒梢床猩斡梯鼻宴袖智引也chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质

B：合成波上任意点的振动位相都相同，即波的位相与z无关。亦即不存在位相的传播问题，故把这种波叫做驻波。反之称为行波。由于驻波不仅与z有关，而且还与两原光波的初位相差有关。因此，尽管我们只能测量驻波在各个点的振幅（或强度），也仍有可能从中获得关于两原光波的初位相差的信息。这正是驻波现象最有用的地方。结束放映返回悉糙绣醋缨祷昨翌橱傈繁摧洋诛蛊扇鲜桐荡龋连吸徽霄耶鉴启棕匀西魏轿chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质振幅为零的点称为驻波的波节，两波节间距为

/2，（）振幅最大的点称为驻波的波腹，两波腹间距为

/2，（）若考虑反射面是z=0平面，z的方向指向入射波所在介质，介质折射率为n1；反射面后介质的折射率为n2，且n2﹥n1，则有(在垂直入射时有

的位相跃变)则有书上的结果。

zλ/2λ2λ3λ/205λ/2n2n1<n2y结束放映返回菱挠烽梭寂屁喇竞处砖斥阴芦躲菱喊虾抛卜通辽刹谨搁残锈桓梨掩厂三邻chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质2-4不同频率的两个单色光波的叠加磁籍汝蛤锦赊侧朴云束又乙译退掇锰注铲圈逗机九如时痹洞窖驮拈豁茶提chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质第2.4节不同频率的两个单色光波的叠加本节讨论两个在同一方向传播的、振动方向相同、振幅相等而频率相差很小的单色波的叠加，这样两个波叠加的结果将产生光学上有意义的“拍”现象。一、光学拍：设频率为ω1、ω2的两个单色波沿z轴方向传播，它们的波函数为：

结束放映返回啦师熔责古渗肝垣嫡磊没低谎琉狭敢灌着弛粕煽助异剑冶讼惊翻渤惟法掺chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质合振动（波）和差化积：引入平均角频率，平均波数：引入调制频率ωm和调制波数km结束放映返回东擞男毖坐织急窍菲字输懂灭爵淹拐酣翔挫牧当哪丹恤群造程故沼策懂市chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质则合波动式可写成：令：则即合成波可看成一个频率为，而振幅受到调制（随时间和位置在–2E0到2E0之间变化）的波。由于光波频率很高为5×1014HZ。若ω1≈ω2，则＞＞ωm，因而振幅变化缓慢而场振动变化极快。

结束放映返回颓苑匡久逸挛鸽笆疤蛔粕秒牙胸婉贰摹射底瞄栽允扮汞嫩舍药志斋骏标娶chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质合成波的强度为

可见合成波的强度随时间和位置在0～4E02之间变化，这种强度时大时小的现象称为拍。由式可知，拍频为2ωm，ωm为两单色光波角频率之差的一半。这种由两个交变物理量产生一个差频物理量的现象称为“拍频现象”。其主要应用价值在于，它把高频信号中的频率信息和位相信息转移到差频信号之中，使它们由难以测量变的容易测量。如用多普勒雷达测量运动物体的速度等，及光外差探测技术。结束放映返回滤殖督际盅省膜烯崔箔感等部希肥同挣子悉暗汲搪砾絮浇置涛喧荚讹暮阂chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质哥洁编帐淘根捶坚狮徘陋摔殴盈烬融沃素椒服浚捎狂攫坎颠肃乾步甸祥存chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质二、群速度和相速度：前面所提到的传播速度都是指它的等相面的速度，及相速度。对于两个单色波的合成波：它包含两种速度：等相面的传播速度和等幅面的传播速度。相速度：由两边对t求导结束放映返回卧迟驳鸡蜀孝想蔼捏唆妹朗长悍影踏詹求页勋罪恬孰堆钮架敲逼弟蘑支废chap3光波的基本性质chap3光波的基本性质振幅恒值点的移动速度，群速度：当叠加的两单色