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第4章 光的电磁理论 第4章 光的电磁理论从麦克斯韦电磁理论出发，介绍单色平面光波在各向同性介质中及其界面传播的基本性质和规律，并论述了实际光波的付里叶分析（频谱分析）方法，这些知识是研究各种具体光现象的基础。 第4章 光的电磁理论 光与物质相互作用理论　 经典理论（电磁理论） 半经典理论（半量子理论） 量子理论（全量子理论） 第4章 光的电磁理论 4.1 电磁波谱 电磁场基本方程 4.2 光波在各向同性介质中的传播 4.3 光波的偏振特性 4.4 光波在介质界面上的反射和折射 4.5 光波场的频率谱（简介） 4.6 球面光波与柱面光波（简介） 4.1 电磁波谱 电磁场基本方程 4.1.1 电磁波谱 电磁波按其频率或波长排列构成波谱，它覆盖了从 ? 射线到无线电波。 4.1.1 电磁波谱 光是特定波段的电磁波 可见光只占电磁波谱中很窄谱带，真空中的波长范围约为390?760 nm(频率范围约为8×1014?4×1014 Hz)。 广义上，光学波段除可见光外，还包括人眼不可见的紫外线和红外线，其波长范围约为10 nm ? l mm（频率范围约为1012?1016 Hz ）。 4.1.1 电磁波谱 4.1.1 电磁波谱 4.1.1 电磁波谱 不同波段的电磁波的产生手段、检测手段和处理方法等各不相同。 产生方式：电子量子跃迁 检测物理量：光强 近似方法：介质均匀 4.1.1 电磁波谱 光波的特点 电磁波在长波端表现出显著的波动性，而在短波端则表现出极强的粒子性。对于光波来说，其波粒二象性的特征表现得更为突出。 光波的波长比光学元件尺寸小得多，而又比组成物体的原子尺寸大得多，从而可以采取一些合理的近似处理。 4.1.1 电磁波谱 光的频率太高，目前探测器的响应速度达不到这么快，而且每个光子的能量又太小，目前探测技术的灵敏度达不到这么高，所以一般只能用光敏探测器检测光辐射的平均强度。 4.1.1 电磁波谱 与无线电波相比较，光波的优点 抗干扰能力强。 光波波长短，因而分辨率高； 光速快，因而处理速度快； 光由于其平行性、串音小、不受干扰、能在空间互连，在未来高速计算机的发展中将发挥重要作用。 4.1.1 电磁波谱 由于光在发射、传播和接收方面具有独特的性质，光学作为物理学的一个主要分支一直持续地发展着，尤其是激光问世后，光学领域获得了突飞猛进地发展。 4.1.2 电磁场基本方程 光波是特定频率的电磁波，其基本方程是麦克斯韦方程组。 积分形式的麦克斯韦方程组 4.1.2 电磁场基本方程 微分形式的麦克斯韦方程组4.1.2 电磁场基本方程 麦克斯韦方程组是电磁理论的核心，是研究各种宏观电磁现象的理论基础。 从麦克斯韦方程组出发，结合具体的边界条件及初始条件，可以定量地研究光的各种传输特性。 4.1.2 电磁场基本方程 物质方程 描述媒质对电磁场量响应特性的方程 电磁特性可分为：　 均匀与非均匀 线性与非线性 各向同性与各向异性 色散与非色散 4.1.2 电磁场基本方程 边界条件 由积分形式的麦克斯韦方程组可导出时变电磁场在两媒质分界面上边界条件 4.1.2 电磁场基本方程 光学中，在两种电介质的分界面，有Js=0，?s=0。其边界条件为电磁场量在界面不连续，但H和E的切向分量以及B和D的法向分量连续。 4.1.2 电磁场基本方程 电磁场的能量密度 4.1.2 电磁场基本方程 电磁能流密度矢量——坡印廷矢量S S的大小表示在任一点处垂直于传播方向上的单位面积上、在单位时间内流过的能量。 S的方向就是该点处电磁波能量流动的方向。 4.1.2 电磁场基本方程 光强I 能流密度的时间平均值。 假设光探测器的响应时间为?，则光强是光学中一个重要的物理量。 4.2 光波在各向同性介质中的传播 4.2.1 波动方程 麦克斯韦方程组描述了宏观电磁现象的普遍规律。 从麦克斯韦方程出发，可以导出描述时变电磁场随时间和空间变化的波动方程。 4.2 光波在各向同性介质中的传播 4.2.1 波动方程 在无界的均匀、各向同性、透明、无源的介质中(?、?为常数，?、?、J为零)，结合物质方程，可将麦克斯韦方程组化简为 4.2.1 波动方程 由以上方程组可导出波动方程为表明时变电磁场是以速度ｖ传播的电磁波。 　 4.2.1 波动方程 波动方程是线性微分方程。 由线性微分方程描述的系统称为线性系统。 线性齐次微分方程的一个重要特性就是它的解满足叠加原理。 　　若E1、E2是的解， 　　则E1+E2也是该方程的解。 4.2.1 波动方程 真空中的光速与实验测出的光速的数值非常接近。 　历史上，麦克斯韦正是以此作为预言光是一种电磁波的重要依据。 4.2.1 波动方程 介质的折射率（真空中的光速与介质中