光的电磁波理论课件

1.1

光的电磁理论麦克斯韦方程组电磁波与光波光波在各向同性介质中传播速度及折射率电磁波的横波性光波的能量分布－光强光源单色光波及其描述返回第1章9/25/2023第1章 光的干涉11.1.1

麦克斯韦方程组其中返回方程（2）随时间变化的磁场将激发涡旋电场；方程（4）随时间变化的电场将激发涡旋磁场；9/25/2023第1章 光的干涉21.1.2

电磁波与光波电磁波波动方程可见电磁波包括电场波和磁场波；两种波具有相同的速度真空中波速为光波：是某一波段的电磁波变化电场/磁场变化磁场/电场电磁波9/25/2023第1章 光的干涉3电磁波谱10/2/2023返回第1章4光的干涉光波是某一波段的电磁波10/2/2023返回第1章5光的干涉紫外光

λ:5--400nm

ν:1015—1017hz 人眼不可见，可用荧光屏、照相乳胶、光电管来探测，能量高，杀菌力、穿透力强。可见光

λ:390—760nm

ν:7.5×1014-4.1×1015hz人眼可见。可见光的颜色(人眼对光的感觉)与光的频率(或真空中的波长)有关，光的颜色与频率的对应关系。红外光

λ:760—6*1015nm

ν:1012—1014hz 人眼不可见，有显著的热效应，可用红外光电器件显示红外图象（夜视仪），也是光纤通讯的窗口波段。光谱

光强随波长的分布，不同光源有不同的光谱。借助于光谱可对物质进行成分分析。光的颜色与频率的对应关系颜色中心频率/Hz中心波长/nm波长范围/nm红4.5×1014660760-622橙4.9×1014610622-597黄5.3×1014570597-577绿5.5×1014550577-492青6.5×1014460492-450蓝6.8×1014440450-435紫7.3×1014410435-39010/2/2023第1章 光的干涉61.1.3

光波在各向同性介质中传播速度及折射率光在各向同性介质中的传播速度－相速：相位面移动的速度，与介质的折射率有关--变慢。εr

μr与光的频率、介质的种类有关。光在介质中的折射率大于1，也有小于1？？？光在介质中的频率与周期保持不变，与振源相同光在介质中的波长与介质的折射率有关--变短。10/2/2023第1章返回7光的干涉1.1.4

电磁波的横波性电磁波是横波由麦克斯韦方程出发可以证明，E矢量、H矢量、都和传播方向K垂直。光学中用电场波来表示光波，E称为光矢量就能量的传输而言，光波中的电场E和磁场H是同等重要的。实验证明,光与物质相互作用时，电场具有直接作用。引起眼睛视觉效应光化学效应（感光）光对导体的作用（对电子作用）10/2/2023第1章返回8光的干涉由于光的频率极高，对光信号的测量，一般探测器只能测量到测量时间内的平均值。＜I＞－A2波动光学中主要讨论光波的相对强度，常将光矢量振幅的平方称为光强。I＝A21.1.5

光波的能量分布－光强电磁波的能量密度电磁场中单位体积内电磁场的能量单位时间内通过与波电磁波的能流密度－玻印亭矢量的传播方向垂直的单位面积的能量。光强I－玻印亭矢量的大小光强I与光矢量E的平方成正比；10/2/2023第1章返回9光的干涉1.1.6

光源原子能级及发光跃迁基态激发态自发辐射光波波列长L＝τc不相干(不同原子发的光)∵∴光源的最基本发光单元是分子或原子。普通光源：自发辐射(随机、独立)不相干(同一原子先后发的光)3.

激光光源：受激辐射●E2●●h

21E1h

21相干●●h

21光辐射持续时间τ-10-8s10/2/2023第1章返回10光的干涉1.1.7

单色光波及其描述10/2/2023第1章返回11光的干涉光波是电磁波，可以用描述电磁波波函数来描述光波的各种形态，这些波函数是满足一定边界条件下的麦克斯韦方程的解。在光学中常遇到的单色平面光波和单色球面光波（理想模型），可以看作是方程的特解，任何形式的光波（实际）都可以看作是这些特解的某种线性组合。什么是单色光波？单色光波的物理描述光波的图像描述什么是单色光波？单色光波：具有单一频率的光波。严格的单色光波必须满足下面四个条件空间各点电、磁场矢量以单一的频率作简谐振动；空间各点的光波振幅不随时间变化，形成一个稳定的振幅空间分布；初始位相的空间分布与时间无关；光波的波列在空间上无限延伸、光源发光时间无限长。若波列是有限长的，则它在行进过程中，空间各点的振幅、位相分布必定会随时间变化；若光源发光时间是有限的，则所发波列经傅里叶变换后可发现，这列光波可以看作是由不同频率的、无限长的平面单色光波的

线性组合而成的。继续10/2/2023第1章 光的干涉12继续讨论严格的单色光波是不存在。任何光源的发光过程总是有限的；从微观角度看，发光过程是断断续续的；当波列的持续时间比扰动的周期长得多时，可以将该波列当作单色光波来处理；返回λ0ΔλI任何复色光波（一个中心波长λ0和一定宽带Δλ）都是由单色光

I0波组合而成的。0I

/2λ谱线宽度越小，单色性越好；谱线宽度与原子的发光持续时间、原子间碰撞及原子热运动等有关。10/2/2023第1章 光的干涉13单色光波的物理描述(附录1.2)单色光波平面单色光波-

-最简单、最基本、最重要就是平面简谐电磁波；任何光波都可以看成为不同频率、不同方向传播的平面单色光波的叠加；继续一列沿z轴正方向传播的平面单色光波可用下列波函数表示一列沿k方向传播的平面光波可用下列波函数表示(三角函数)(复振幅)10/2/2023第1章 光的干涉14继续讨论单色球面光波较简单且重要；从点光源发出的光波在均匀各向同性介质中传播时，就形成球面波；从点光源向四面传播(发散)的单色球面光波可用下列波函数(三角函数)表示(复振幅)汇聚单色球面光波可用下列波函数(三角函数)表示(复振幅)10/2/2023返回第1章15光的干涉光波的图像描述--几何描述波面(波阵面