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§1-4球面波和柱面波前次课内容回顾:1.波动方程的平面波解:2.平面简谐波:§1-4球面波和柱面波3.一般坐标系下的平面波的波函数:4.平面简谐波的复振幅:§1-4球面波和柱面波5.平面波的性质(1)电磁波是横波:(2)和互相垂直(3).和同相:§1-4球面波和柱面波除平面波外,球面波和柱面波也是两种常见的波。在光学中他们分别由点光源和线光源产生。一、球面波的波函数:二、球面波的复振幅:三、柱面波的波函数:§1-4球面波和柱面波一、球面波的波函数:点状振动源的振动向周围空间均匀的传播形成球面波.从对称性考虑,这个波的等相面是球面,并且其上的振幅处处相等.由于随着考察点远离振动源,等相面的曲率半径逐渐增大,最后接近于平面,所以平面波是球面波的一种特殊形式§1-4球面波和柱面波严格的点状振动源是不存在的,从而理想的球面波或平面波是不存在的.在光学上,当光源的尺寸远小于考察点至光源的距离时,往往把该光源称为点光源.由它发出的波可以近似当作球面波处理.§1-4球面波和柱面波由于对称性,可将波动方程转化为球坐标下的方程。选择振动源作为坐标原点,则知:波函数A(r,t)只与r有关,与方位无关可以证明:这样的波函数A(r,t)满足下式:标准波动方程变为:§1-4球面波和柱面波上式亦可写为:若将看成一体,这个方程和一维波动微分方程有完全相同的形式。它的解为:或此即为球面波波函数的一般形式。其中为任意函数。§1-4球面波和柱面波显然,我们最关心简谐球面波这个特殊形式。则:假定源点振动的初位相为零,对于电矢量(此时可看作标量)即则有:写成复数形式:可以看出,球面波的振幅不再是常量,它与离开波源的距离r成反比,其等相面为:r=常数的球面。§1-4球面波和柱面波二、球面波的复振幅:称为球面简谐波的复振幅,并简单的以它代表一个球面简谐波。注:简谐球面波的参量特点:1.??????振幅a/r不是一个常量,它随r增加而减小但在r相同的球面上,振幅是均匀的。A是一个常量,代表r=1处的振幅,表征振动源的强弱,称为源强度。§1-4球面波和柱面波?2.??????位相:球面波的位相是即?仅仅是r的函数,并指出了v的含义说明v是沿球面径向的位相传播速率。当等相面自球心向外传播时v0,称为发散球面波,当等相面向球心会聚时v0称为会聚球面波。§1-4球面波和柱面波K仍为波数:代表发散波和会聚波。由于球面波振幅随r增大而减小,故严格说来:球面波波函数不成现严格的空间周期性,§1-4球面波和柱面波3。简谐球面波在平面上的近似表达式:在光学中,通常要求解球面波在某个平面上的复振幅分布。例如,在直角坐标系xyz中波源s坐标为x0,y0,z0我们来求解它发出的球面波在z=0平面上的复振幅分布。由于s到z=0平面上任意点p(x,y)的距离为§1-4球面波和柱面波由时复振幅的表示式知:在z=o平面上的振幅分布为:此式较复杂不便应用,实际中往往进行近似处理。§1-4球面波和柱面波三、柱面波的波函数:柱面波是由无限长同步线状振动源(同步线源)产生的波动。所谓同步线源是指这样一种振动源:在整条直线上所有点都是一个点源,各个点源的振动完全相同,在简谐振动下各点的初位相,频率和振幅完全相同。在光学上可以用平面波照亮一个极细的长缝来获得近似的柱面波。§1-4球面波和柱面波需要注意的是,一般单色线光源不产生柱面波,因其上各点的振动不是同步的。柱面波波函数应在柱面坐标系中描述,它的波函数可写为其复振幅为A1为线光源的强度。***
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