2光的本性.ppt

平面光波的波动表示式为 E(r,t)=E0cos(ωt-k·r) H(r,t)=H0cos(ωt-k·r) (1—1) 求解方程组，可以得到光波具有不同的传播形式：平面波、球面波和柱面波。 E0和H0光波场电场和磁场强度的振幅； ω光波角频率(ω＝2πν)； k光波传播方向的波矢量。其大小k＝2π/λ;r为空间坐标。 一维平面波是均匀介质中波动方程的解。 可以证明: 平面光波具有横波特性．电矢量的振动方向垂直于波的传播方向 E(r，t)和H(r，t)相位相同、振动方向互相垂直。 E(r,t)=E0exp[—i(ωt—k·r)] H(r,t)=H0exp[—i(ωt—k·r)] (1—2) 为运算的方便。把波动式写成复数形式 光效应是由电场强度矢量引起的, 光波只用电场描述。 作业 1.光的波粒二向性，光的本性是什么？ 2.电磁光波辐射源 ？ 3.电偶极子? 4.光和物质相互作用的过程可以理解为? 5.光的散射，光的吸收？ * * 在许多实际问题中，经常涉及在两种或多种物理性质不同的介质交界面(在该处ε和μ发生突变)处电磁场的运动规律。这时，求解麦克斯韦方程需考虑界面的边界条件，即通过界面上场的吻合而使界面两边的场解相匹配。 场的边界条件可以直接从麦克斯韦方程推出： 式中下标n和t分别表示场的界面法向分量和切向分量 二、电磁场的边界条件 电磁理论把光的强度解释为电磁场的能通量。因此，有必要了解伴随电磁场运动所产生的功率输运、功率损耗和能量储存关系。从麦克斯韦方程出发， 用E和H分别点乘 三、电磁场的能量定律 这就是电磁场能量守恒的连续方程，称为坡印廷(PoynSing)定理。其物理意义如下： 2．右边第二，三项之和 代表真空中单位体积内电磁能量随时间的变化率。 1．第一项 代表单位体积中电磁场在运动电荷上消耗的功率，或电流在介质内产生的焦耳热损耗。 3．等式右边第四项 表示电磁场消耗在电偶极子上的功率(即单位时间内，单位体积中场对介质极化做的功)。 4．等式右边第五项 代表消耗在磁偶极子上的功率。由于光波磁场对介质的作用比电场要弱得多，这一项通常可忽略。 考虑到电极化和磁极化过程，得到介质中的电磁储能密度为 从以上讨论可见，右边各项之和代表单位体积介质储存的功率,根据能量守恒定律，等式左边必然代表从单位体积介质中流出的净功率，于是定义一个新矢量 其大小表示单位时间通过垂直于传播方向单位截面的电磁波能量，其方向代表电磁能流的方向。 称为坡印廷矢量，即能流密度矢量， 四、电磁场的波动方程 从麦克斯韦方程组和物质方程组很容易推出描述介质中电磁场波动现象的方程。 对于常用光学材料μ=μ0。 这就是普遍形式的波动方程。 对于金属导体，这一项是主要的；方程的解将说明电磁波在金属中的强烈衰减及在表面的强烈反射 而对于半导体，这两项都必须考虑。 在非导电介质中(σ=0)，正是这一极化波源导致电磁波的散射、吸收及色散等现象； 介质中的传导电流 介质中的极化电流 它们是电磁波的波源。 一般说来，当带电粒子加速运动时就会产生电磁波辐射。 了解电偶极子辐射场的基本性质对于今后用经典理论处理光和物质相互作用的问题极为重要。 1．2-2 电磁光波的辐射源 光波的辐射主要是原子最外层电子或弱束缚电子的加速运动产生的，因而原子的电偶极矩便是这种光辐射的主要波源。 当这对电荷交替变化时，在它周围产生交变电场，交变电场又产生交变磁场，交变磁场再产生交变电场……于是，在电偶极子周围空间便产生由近及远的电磁波动，因此，交变电偶极子有电磁辐射现象。 考虑一个交变的电偶极振子，其电偶极矩写成 电偶极子由一对等值异号的电荷组成(原子中的外层电子与原子核即可等效成这样的电偶极子)， 假设电偶极子轴沿z方向，选取图所示球坐标系，根据电磁场理论，由麦克斯韦方程可以解出电偶极子辐射场的瞬时值为 各场分量都包含多项，且各项的相对大小都与k0r有关。 在k0r《1的近场区和k0r》1的远场区，辐射场的性质截然不同。 在近场区(k0r《1)，各场分量近似为 电场的瞬时分布近似于静电偶极子产生的静电场； 磁场分布近似于恒定电流元产生的静磁场； 且电场和磁场的相位差为?/2，平均坡印廷矢量为零，即场不向外辐射能量，而只与电偶极子交换能量； 近区的电磁场本质上是非辐射的。 在远场区(k0r》1)。各场分量近似为 远区的场只有互相正交偏振的横向分量Eθ和Hφ ， 均取波动形式，且与波传播方向分别在球坐标系的三个轴上，等相位面为球面，故称为横球面波。其相速度由下述条件决定： 其相速度由下述条件决定： 可见在真空中电磁波的传播速度等于光速c，相应的光波波长则为 另外，Eθ和Hφ始终同相，且均落后于电偶极矩p/2，它们的振幅之