5.1光的电磁理论描述详解.ppt

LH为负折射率材料，RH为正折射率材料 在正折射率介质中，波矢k的方向与能流S的方向相同； 在负折射率介质中，波矢k的方向和能流S的方向相反。 由于光的频率很高，例如可见光为 1015Hz量级，所以 坡印廷矢量的大小 S 随时间的变化很快。而目前光探测器的响应时间最快的光电二极管仅为 10-8～10-9 秒，所以只能给出 S 的平均值。 平均坡印亭矢量：瞬时形式坡印亭矢量在一个周期内的平均值，用Sav表示，即： 实际中将这个S的平均值的大小定义为光强，记为I，即 在同一种介质中，光强与电场强度振幅的平方成正比。实际中一般是求取同一均匀介质中两场点的相对强度。可以直接用电场矢量振幅的平方值表示光强。 相应的光电场强度振幅为 例题：一束 1×l05W 的激光，用透镜聚焦到 1×10-10m2 的面积上, 则在透镜焦平面上的光强度 例题：已知时变电磁场的电场强度为 求：(1)磁场强度；(2)瞬时坡印廷矢量；(3)平均坡印廷矢量 * 5.1 光的电磁理论描述 19世纪60年代，麦克斯韦建立了经典电磁理论，并把光学现象和电磁现象联系起来，指出光也是一种电磁波，是光频范围内的电磁波，从而产生了光的电磁理论。光的电磁理论是描述光学现象的基本理论。 麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛顿运动定律在力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。另外，这个理论被广泛地应用到技术领域。 　　 　　 　　 麦克斯韦其人 1879年11月5日，麦克斯韦因癌症不治去世，终年49岁。那一年正好爱因斯坦出生。物理学史上一颗可以同牛顿交辉的明星坠落了。他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路，可是他的功绩生前却未得到重视。直到他死后20年，在赫兹证明了电磁波存在后，人们才意识到他是自牛顿以来最伟大的理论物理学家。 经典物理学 牛顿力学 麦克斯伟 电磁理论 热学的热力学 和统计物理学 物质结构的 原子分子论 剩下的只是将已经建立起来的原理用于解释自然界种种现象，测准一些物理学常数（小数点后第6位）或把一些定律进行实际的应用。 散度（标量）在笛卡儿坐标系中的表达形式： 旋度（矢量）在笛卡儿坐标系中的表达形式： 微分算符（哈密顿算符） 梯度（矢量）在笛卡儿坐标系中的表达形式： 时变电磁场麦氏方程： D、E、B、H 分别表示电感应强度（电位移矢量）、电场强度、磁感应强度、磁场强度; ? 是自由电荷体密度；j 是传导电流密度。 5.1.1光波的电磁特性 恒定电磁场麦氏方程： 麦克斯韦电磁方程：积分形式 上面四个方程可逐一说明物理意义如下：在电磁场中任一点处 (1) 电位移矢量的散度等于该点处自由电荷体密度 ； 电场可以是有源场，电力线必是从正电荷发出，终止于负电荷 (2) 磁感强度的散度处处等于零； 磁场是个无源场，磁力线永远是闭合的。 (3) 电场强度的旋度等于该点处磁感强度变化率的 负值； 变化的磁场产生感生电场；感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的。 (4) 磁场强度的旋度等于该点处传导电流密度与位移 电流密度的矢量和。 变化的电场产生感生磁场；感生磁场是涡旋场，磁感应线是闭合的。 描述物质在场作用下特性的关系式 物质方程 物质的磁导率 物质的电导率。 物质的介电常数 b、当光强度很强时，光与介质的相互作用过程会表现出非线性光学特性，因而描述介质光学特性的量不再只是位置的坐标函数，而应是与光场强有关系的量，例如介电常数应为? (E)，电导率应为? (E)。 a、在一般情况下，介质的光学特性具有不均匀性和各向异性，所以?、? 和? 是空间位置的坐标张量函数，即 D 与 E、B 与 H、J 与E一般不再同向。 物质方程的几点说明 注：本书局限于各向同性，均匀介质在较弱强度光作用下的情况 式中, ? = ?0 ?r , ? = ?0 ?r ，?r 为介质相对介电常数, ? r 为介质相对磁导率；其中真空中， ?0=8.8542×10-12 C2/N·m2 ,?0=4π×10-7N ·s2/C2。 c、对于均匀的各向同性介质， ? 、? 是与空间位置和方向无关的常数；在线性光学范畴内， ? 、 ? 也与光场强无关，此时物质方程表示为 d、透明、无耗介质中， ? = 0； 非铁磁性材料， ?=μ0 。 麦克斯韦方程组指出任何随时间变化的电场将在周围空间产生一个涡旋变化的磁场；任何随时间变化的磁场，将在周围空间产生一个涡旋变化的电场，变化的电场和磁场之间相互激发，交替产生，在空间中以一定速度由近及远地传播，形成统一的场——电磁场 5.1.2 光波的波动方程 电磁传播