物理光学课件01绪论.ppt

物 理 光 学 研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）以及用波动理论对光与物质相互作用进行描述的学科。 基本问题：在各种条件下的传播问题。 基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。 波前：原为等相面，现泛指波场中的 任一曲面，更多的是指一个平面。 主要方法：如何描述、识别、分解、改造、记录和再现波前，构成了波动光学的主要方法。 把光视为一个个分立的粒子（光子）,它主要用于分析辐射、光发射以及光与物质的相互作用。 在这领域内有时可用经典理论，有时需用量子理论。对于这类原不属于传统光学的内容，有人冠之以“量子光学”名称，也有人把它们仍归于物理光学之内。 1948年全息术的提出，1955年光学传递函数的建立，1960年激光的诞生为其发展中的三件大事。 薄膜光学的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技术的发展； 傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光学变换过程，形成了光学信息处理的内容． 集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学领域； 非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介质已不满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频,混频,自聚焦等; 对光导纤维的研究形成了光纤光学或导波光学; 导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅速发展和应用,成为人类在20世纪最重要的科技成就; 非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术的结合可能会导致新一代计算机—光计算机的诞生. 光的电磁理论的提出是人们在电磁学方面已有了深入研究的结果。1864年麦克斯韦把电磁规律总结为麦克斯韦方程组，建立起完整的经典电磁理论，同时指出光也是一种电磁波，从而产生了光的电磁理论。到目前为止，它仍然是阐明大多数光学现象以及掌握现代光学的一个重要基础。 1.2.4 简谐波的复指数表示与复振幅 根据欧拉公式： 其中： 将一维简谐波波函数表示为复指数取实部的形式： 在不引起误解的情况下，可省去取实函数符号“Re”， 复指数表示法的优越性： ① 可以分离波函数中的空间位相因子和时间位相因子。 其中的 称为复振幅。 对于单色波照明的情形，空间任意点的光振动的频率都相同，差别仅仅是由于空间差异而引入的位相差。因此，这样我们就略去处处相同的时间位相因子，而只用复振幅表示光场。 ② 可以简化运算。 * * 绪论 1. 物理光学的研究对象和内容 光学是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作用的学科。 光学 几何光学 物理光学 现代光学 波动光学 量子光学 几何光学：基于“光直线传播”的概念讨论光的传播规律。 几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）。 是光波衍射规律的短波近似。 它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。 几何光学主要是从直线传播，折射、反射定律等实验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题。 波动光学：研究光的波动性（电磁波）的学科。 主要内容有光的干涉、衍射、偏振，光在各向同性介 质中的传播规律及光在各向异性介质中的传播规律。 量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。 现代光学： 20世纪后半期发展起来的光学体系 。 2. 物理光学的应用 测控，通信，医疗，信息处理，光学设计。 3. 波粒二相性 第一章 光波的基本性质 1.1 光的电磁理论基础 1. 麦克斯韦方程组和物质方程 1). 积分形式的麦克斯韦方程组 2). 微分形式的麦克斯韦方程组 由麦克斯韦方程组可知：不仅电荷和电流是产生电磁场的源，而且时变电场和时变磁场互相激励，因此，时变电场和时变磁场构成了不可分割的统一整体——电磁场。 2. 物质方程 式中， 为介电常数，描述媒质的电学性质， 是真空中介电常数， 是相对介电常数; 为介质磁导率，描述媒质的磁学性质， 是真空中磁导率 ， 是相对磁导率；σ为电导率，描述媒质的导电特性, 真空中σ＝0。 3. 电磁场的波动性 麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，指出随时间变化的电场将在周围空间产生变化的磁场，随时间变化的磁场将在周围空间产生变化的电场，变化的电场和磁场之间相互联系，相互激发，并且以一定速度向周围空间传播。因此，时变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播的电磁波。 讨论无限扩展的均匀、各向同性、透明、无源的媒质 将上页第二式两端对时间求导并交换左端的求导次序，得： 将上页第一式代入上式，并考虑到： 得到： 注释： 同理可得： 一维情况下： 若令 ： 可将以上两式变化为： 此即为交变电磁场所满足的典型的波动方程，它说明了交变