物理光学-第1章_光波的基本性质.ppt

物理光学 常 青 物理光学 教 材：廖延彪主编，电子工业出版社2006年出版 的《光学原理与应用》 参考书籍：梁铨廷主编，机械工业出版社1987年出版 的《物理光学》 考 试：闭卷考试（占80%） 平时成绩（占20%）(出席、习题课) 学 时：72 学 分：4 讲述内容：光的偏振、干涉、衍射、光的吸收和散射 及晶体光学的基础知识 绪论 发展历史：既古老又新颖的学科 古老：公元前400年左右-反射、成像 新颖：20世纪60年代-激光出现 光的研究主要涉及： 发射-光源 传输-光与物质相互作用 经典光学： 近代光学： 接收-光探测器 光学的基本参量 折射率： 各向同性：反射、折射；直线传输 各向异性：双反射、双折射 影响因素：波长： 外场： 电光效应-电场 磁光效应-磁场 弹光效应-力场 热光效应-温度 强光效应-能量 时间：非稳态光场 空间：衍射 光学的基本参量 光波能量： 低-经典光学 高-非线性光学 光波的偏振： 波长： 吸收与透射 传输特性与传输介质的相对尺寸有关 尺寸大于波长——一般的光学理论 尺寸小于波长——导波光学、光纤光学、微光学 光学的应用 构成各种光学观测仪器： 显微镜、照相机、投影仪。 构成各种光学检测、计量仪器： 利用干涉、利用衍射。 构成各种光学检测方法： 利用加外场 构成各种光学加工系统： 光学加工机（利用热效应） 构成各种光学医疗系统： 激光手术刀 物理光学课程讲述内容 第1章 光波的基本性质 第2章 光的干涉 第3章 光的衍射 第4章 晶体光学基础 第5章 光的吸收、色散和散射 第1章 光波的基本性质 本章主要讨论的内容： 光是电磁波，它具有电磁波的通性。因此，要了解光的波动性，就必须首先了解电磁波有些什么基本性质。 本章将简要介绍光的电磁理论以及它对一些光学现象如光的反射和折射现象所作的简单处理，使我们对光的电磁本性有一个概念性的认识。  §1-1 电磁场的基本方程 §1-1-1 麦克斯韦方程 光是电磁波，它具有电磁波的通性——麦克斯韦方程组。 （1） 传导电流或随时间变化的电场能够产生磁场。 （2） 随时间变化的磁场在周围空间产生电场。 （3） 空间无磁荷存在。 （4） 电荷是电场的源。 电场强度E、磁感强度B、电感强度D、磁场强度H、电流密度J、场中自由电荷密度 §1-1-2 物质方程 物质方程： 反映了在电磁场作用下的媒质的特性，适用于各向同性的媒质。 为媒质的电导率； 为媒质的介电常数； 是真空介电常数； 是相对介电常数； 是媒质的磁导率； 是真空磁导率； 是媒质的相对磁导率。 §1-1-2 物质方程 物质方程的物理意义： 若媒质的电导率 —媒质具有导电性 电磁波在这种媒质中传播时要衰减，因为电磁波的部分能量会转化为焦耳热而被消耗掉。 若 —透明介质对光没有吸收，是绝缘体 （水、玻璃、石英晶体等透明媒质，物质方程中J=0）。 E、D 相互连系：由媒质 决定。 B、H 相互连系：由媒质 决定。 对光波透明的电介质其 ，即 。 最后J和 应满足电荷守衡定律，即一个系统的总电荷严格保持不变。即场中某一点电流密度的散度等于该点单位时间内电荷密度的减少。 §1-1-3 能量定律，波印廷矢量 E、D、B、H—光学中无法直接测量。 I（光强度）—光学中可直接测量。 推导：从麦克斯韦方程组中推出。 电磁场的能量密度为： 第一项为电场的能量密度（电能密度），第二项是磁能密度。 S矢量的大小等于单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的电磁能量，其方向取能量的流动方向。因此在单位时间内垂直通过单位面积的能量大小为： §1-1-4 波动方程 理论基础：麦克斯韦方程组+物质方程 推导过程：无限大均匀介质中的情况 §1-2 光波与电磁波 几个概念： 光扰动：（光振动）E、H 光矢量：把E的振动称为光矢量。 光 场：光波存在的区域。 波 面：任一时刻振动状态相同的各点所组成