工程光学第三版下篇物理光学第十一章课后习题答案详解

第十一章光的电磁理论根底一个平面电磁波可以表示为,求(1)该电磁波的频率、波长、振幅和原点的初相位？〔２〕拨的传播方向和电矢量的振动方向？〔３〕相应的磁场Ｂ的表达式？解：〔1〕平面电磁波对应有。〔2〕波传播方向沿轴，电矢量振动方向为轴。〔3〕垂直，传播方向相同，∴２.在玻璃中传播的一个线偏振光可以表示，试求〔1〕光的频率和波长；〔2〕玻璃的折射率。解：〔1〕∴〔2〕3.在与一平行光束垂直的方向上插入一片透明薄片，薄片的厚度,折射率n=1.5,假设光波的波长为,试计算透明薄片插入前后所引起的光程和相位的变化。解：光程变化为相位变化为4.地球外表每平方米接收到来自太阳光的功率为1.33kw,试计算投射到地球外表的太阳光的电场强度的大小。假设太阳光发出波长为的单色光。解：∵∴5.写出平面波的传播方向上的单位矢量。解：∵6.一束线偏振光以45度角从空气入射到玻璃的界面，线偏振光的电矢量垂直于入射面，试求反射系数和透射系数。设玻璃折射率为1.5。解：由折射定律7.太阳光〔自然光〕以60度角入射到窗玻璃〔n=1.5〕上，试求太阳光的透射比。解：8.光波以入射角从折射率为介质入射到折射率为的介质，在两介质的外表上发生反射和折射〔折射角为，见图10-39〕，s波和p波的振幅反射系数和投射系数分别为、和、。假设光波从介质入射到介质〔见图10-39b〕中，入射角为，折射角为，s波和p波的反射系数和透射系数分别为、和、。试利用菲涅耳公式证明〔1〕；〔2〕；〔3〕；〔4〕〔为p波的透射比，为s波的透射比〕。图10-39习题8图图10-39习题8图解：9.电矢量方向与入射面成45度角的一束线偏振光入射到两介质的界面上，两介质的折射率分别为，问：入射角度时，反射光电矢量的方位角〔与入射面所成的角〕？假设度，反射光的方位角又为多少？解：10.光束入射到平行平面玻璃板上，如果在上外表反射时发生全偏振，试证明折射光在下外表反射时亦发生全偏振。证明：当入射角为布儒斯特角时，发生全偏振，反射光中只有波第一次反射时，第二次反射时，得证。亦可由11.光束垂直入射到45度直角棱镜的一个侧面，并经斜面反射后由底二个侧面射出〔见图10-40〕，假设入射光强为，求从棱镜透过的出射光强I？设棱镜的折射率为1.52，且不考虑棱镜的吸收。图10-40习题11图图10-40习题11图解：12.一个光学系统由两片别离透镜组成，两透镜的折射率分别为1.5和1.7，求此系统的反射光能损失。如透镜外表镀上曾透膜，使外表反射比降为0.01，问此系统的光能损失又为多少？设光束以接近正入射通过各反射面。解13.一半导体砷化镓发光管〔见图10-41〕，管芯AB为发光区，其直径。为了防止全反射，发光管上部磨成半球形，以使内部发的光能够以最大投射比向外输送。要使发光区边缘两点A和B的光不发生全反射，半球的半径至少应取多少？(对发射的的光，砷化镓的折射率为3.4)。ABAB图10-41习题13图解：14.线偏振光在玻璃-空气界面上发生全反射，线偏振光的方位角度，问线偏振光以多大角度入射才能使反射光的s波和p波的相位差等于45度，设玻璃折射率。解：15.线偏振光在和介质的界面发生全反射,线偏振光的方位角度,证明当时(是入射角),反射光波和波的相位差有最大植。式中。证明：16.圆柱形光纤〔图10-42〕其纤芯和包层的折射率分别为和，且>。〔1〕证明入射光的最大孔径角满足关系式〔2〕假设求孔径角？uu图10-42习题16图解：17.硅试样的相对介电常数，电导率，证明当电磁波的频率时，硅试样具有良导体作用。计算时电磁波对这种试样的穿透深度。解：18.铝在时，有，，试求正入射时的反射比和相位变化。解：19.两束振动方向相同的单色光波在空间某一点产生的光振动分别表示为和，假设，，，，，求合振动的表示式。解：20.利用波的复数表达式求两个波和的合成波。解：21.一束沿方向传播的椭圆偏振光表，试求偏振椭圆的方位角和椭圆长半轴及短半轴大小。解：22.有一菲涅耳棱体〔见图10-21〕，其折射率为1.5，入射线偏振光的电矢量与入射面〔即图面〕成45度角，求〔1〕棱体的顶角取多大时，能使从棱体射出圆偏振光？〔2〕假设棱体的折射率为1.49，能否产生圆偏振光？解：23.又旋圆偏振光以50度角入射到空气-玻璃界面〔玻璃折射率为1.5〕，试决定放射波和透射波的偏振状态。解：入射为右旋圆偏振光，如图，可写为假设设，那么布儒斯特角，所以反射光中S波与P波均存在。有∴比落后相位，且有∴反射光为左旋椭圆偏振光对于透射光∵∴投射光为右旋椭圆偏振光。24.确定其正交分量由下面两式表示的光波的偏振态：解：对于合成波有∴方位角又∵∵∴为右旋又设长短轴为∴〔1〕且有〔2〕∴25.真空中沿方向传播的两个单色光波为，假设试求合成波在和各处的强度随时间的变化关系。假设两波频率差，试求合成波振幅变化和强度变化的空间周期。解：令那么那么合成波强度其中∴∝时I∝时I∝时I∝假设∴空间周期为空间周期为26.试计算以下各情况的群速度：〔1〕〔深水波，为重力加速度〕；〔2〕〔浅水波，T为外表张力，为质量密度〕。解：群速度〔1〕〔2〕27.试求图10-43所示的周期性矩形波的傅里叶级数表达式，并绘出其频谱图。ZZE(z)图10-43习题27图解：周期性矩形波为偶函数，所以即…图略28.求图10-44所示周期性三角波的傅里叶分析表达式，并绘出其频谱图。E(Z)E(Z)Z图10-44习题28图解：偶函数即……29.试求图10-45所示的矩形脉冲的傅里叶变换，并绘出其频谱图。-L-LLZE(z)1图10-45习题29图解：30.试求图10-46所示的三角形脉冲的傅里叶变换。ZZE(z)-LL0L图10-46习题30图解：31.氪同位素放电管发出的波长的红光是单色性很好的光波，其波列长度约为，试求该波的波长宽度和频率宽度。解：32.M1、M2是两块平行放置的玻璃片(n=1.50)，反面涂黑。一束自然光以角入射到M1上的A点，反射至M2上的B点，再出射。试确定M2以AB为轴旋转一周时，出射光强的变化规律。解由题设条件知，两镜的入射角均为，且有对于M1，有由于是自然光入射，p、s分量无固定相位关系，光强相等，故式中，I0是入射自然光强；I1是沿AB的反射光强，反射光是垂直于图面