[高等教育]第一章 光的基本知识.ppt

第一章 光学基础知识 第一节 光的基础知识 第二节 麦克斯韦方程和物质方程 第三节 波动方程 第四节 光波模、光子态 1 光的反射和折射 θ３ ——　折射角 产生全反射的条件： n1 n2 90°θ1 θc 三. 光的独立传播 （二）电磁场的边界条件 利用物理量之间的关系 其大小k（称为空间角频率或波数）为 所以，波动公式可写成 引入波传播方向上的波矢量 单色光波波动公式最显著的特点是它的时间周期性和空间周期性，它表示单色光波是一种时间无限延续、空间无限延伸的波动，而任何时间周期性和空间周期性的破坏，都意味着单色光波单色性的破坏。 波长称为单色光波的空间周期，波长的倒数称为空间频率，波数成为空间角频率。 单色光波的时间周期性和空间周期性通过传播速度由 决定 对于光来说，它也包含了电矢量和磁矢量，从波的传播来看，电矢量和磁矢量处于同等的地位，但从光与物质的作用来看，两者不相同。 通常把电矢量 称为光矢量，把 的振动称为光振动。在讨论光的振动性质时，只考虑电矢量即可。 复数形式的平面简谐电磁波的波动公式 Helmhotz方程 界面两侧电场的切向分量连续 界面两侧磁场的切向分量发生了跃变 界面两侧电场的法向分量发生了跃变 界面两侧磁场的法向分量连续 边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系,它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体应用对于解决实际问题十分重要。 在光电子技术的许多实际应用中，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、μ发生突变）处光辐射场量之间的关系。这时，求解麦克斯韦方程需要考虑边界条件。 在光学波段经常遇到的情况是?s和js等于零，这时，界面两侧的切向分量以及法向分量均连续。 En 界面上电场的法向和切向分量 Et 边界条件简化为： * 第一节 光的基本属性 一.波粒二象性 1. 牛顿和惠更斯与光的理论学说 牛顿在1669年提出光的“微粒说”.他认为光是从光源发 出的一种光微粒流,具有直线传播的性质.光微粒流有弹性,并且能被某些物质吸收.光微粒流遇到物质时,如果不被吸收,就会被弹回来. 惠更斯在1678年提出光的“波动说”.他认为光从一处传播到另一处,是和水波类似的波. 这两学说在相互争论中发展,一直持续了200多年,牛顿的微粒说能圆满地解释光的直线传播、反射等现象,因而在很长一个时期内占统治地位。但后来人们又在实验中发现,微粒说不能解释光的干涉、衍射等现象.这就促使科学家们去探索新的答案. 2. 麦克斯韦建立了光的电磁理论 19世纪初,电的发明和应用,将人类带进了电器时代。1863年英国物理学家麦克斯韦，以库仑、安培、法拉第在电学上的发现为基础作了进一步发展，创立了电磁波理论。其要点是：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，二者交替产生由近及远的传播，既电磁波。并建立了著名的麦克斯韦方程。1887年赫兹用实验的方法产生了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁波理论。1901年俄国物理学家列别捷夫用实验测定了光压，结果与电磁理论十分相符合，从而进一步巩固了光的电磁理论，麦克斯韦电磁波的传播速度上有限的 ，其速度在真空中为每秒30万公里，与光速一样，从而确认了光波也是电磁波。 应用光的电磁波理论,基本上能比较完满地解释光的发射、折射、干涉、衍射、偏振、双折射等与光的传播性有关的一系列重要现象。 3. 爱因斯坦站在了巨人肩膀上 电磁波理论虽然使光的波动说一度占领了光学领域，但19世纪末，实践中遇到的光与物质相互作用的许多 现象却无法解释，如黑体辐射、光的吸收与发射、光电效应、光化学反应等。1905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子假说，在一种全新的物理意义上提出了光子学说。 光在本质上是由一些具有确定能量和动量的物质微粒——光量子或光子所组成，而光子的能量和动量的数值，与一定的光的频率或波长相对应，即 爱因斯坦认为光子既是粒子、同时又是波。光在与物质相互作用时粒子性明显，光在传播中则波动性突出。光的这种粒子性和波动性相互对立又并存的性质，叫做光的“波粒二象性”。 θ1 =θ２ n1sinθ1 = n2sinθ2 反射定律 折射定律 k1 θ1 法线 介质Ⅱ 介质Ⅰ n1 n2 n1 n2 入射角θ1、反射角θ２、折射角θ３三个角之间符合两个关系式： θ2 θ3 k2 k3 n ——　折射率 　　　　n=c/v K1 ——　 入射光线 K２——　反