工程光学习题集解答第九章_光的电磁理论基础

第九 章 光的电磁理论基础1. 一个平面电磁波可以表示为140,2cos[210()],02x y z z E E t E cππ==⨯-+=,求(1)该电磁波的频率、波长、振幅和原点的初相位？（２）拨的传播方向和电矢量的振动方向？（３）相应的磁场Ｂ的表达式？解：（1）平面电磁波cos[2()]zE A t cπνϕ=-+ 对应有1462,10,,3102A Hz m πνϕλ-====⨯。

（2）波传播方向沿z 轴，电矢量振动方向为y 轴。

（3）B E →→与垂直，传播方向相同，∴0By Bz ==814610[210()]2z Bx CEy t c ππ===⨯⨯-+２. 在玻璃中传播的一个线偏振光可以表示2150,0,10cos 10()0.65y z x zE E E t cπ===-，试求（1）光的频率和波长；（2）玻璃的折射率。

解：（1）215cos[2()]10cos[10()]0.65z zE A t t ccπνϕπ=-+=- ∴1514210510v Hz πνπν=⇒=⨯72/2/0.65 3.910n k c m λππ-===⨯（2）8714310 1.543.910510n c c n v λν-⨯====⨯⨯⨯ 3.在与一平行光束垂直的方向上插入一片透明薄片，薄片的厚度0.01h mm =,折射率n=1.5,若光波的波长为500nm λ=,试计算透明薄片插入前后所引起的光程和相位的变化。

解：光程变化为 (1)0.005n h m m∆=-= 相位变化为)(20250010005.026rad πππλδ=⨯⨯=∆= 4. 地球表面每平方米接收到来自太阳光的功率为1.33kw,试计算投射到地球表面的太阳光的电场强度的大小。

假设太阳光发出波长为600nm λ=的单色光。

解：∵22012I cA ε== ∴1322()10/I A v m c ε=5. 写出平面波8100exp{[(234)1610]}E i x y z t =++-⨯的传播方向上的单位矢量0k 。

解：∵exp[()]E A i k r t ω=- x y z k r k x k y k z ⋅=⋅+⋅+⋅00000000002,3,4234x y z x y z k k k k k x k y k z x y z k x y z ===∴=⋅+⋅+⋅=++=+ 6. 一束线偏振光以45度角从空气入射到玻璃的界面，线偏振光的电矢量垂直于入射面，试求反射系数和透射系数。

设玻璃折射率为1.5。

解：由折射定律12211221122111122sin sin cos 1.5cos cos 0.3034cos cos 2322cos 0.6966cos cos s s n n n r n n n t n n θθθθθθθθθθ==∴=-∴==-+===+ 7. 太阳光（自然光）以60度角入射到窗玻璃（n=1.5）上，试求太阳光的透射比。

解：2222212111222222122111212sin sin 212111.54cos 4sin cos 30.8231cos sin ()(22323cos 4sin cos 0.998cos sin ()cos ()()0.912s p s p n n ocs n n n n θθθθθθτθθθθθθτθθθθθτττ==∴=⨯⨯=⋅==+=⋅=+-+∴==8. 光波以入射角1θ从折射率为1n 介质入射到折射率为2n 的介质，在两介质的表面上发生反射和折射（折射角为2θ，见图10-39），s 波和p 波的振幅反射系数和投射系数分别为s r 、p r 和s t 、p t 。

若光波从2n 介质入射到1n 介质（见图10-39b ）中，入射角为2θ，折射角为1θ，s 波和p 波的反射系数和透射系数分别为's r 、'p r 和's t 、'p t 。

试利用菲涅耳公式证明（1）'s s r r =-；（2）'p p r r =-；（3）'s s s t t τ=；（4）'p p p t t τ=（p τ为p 波的透射比，s τ为s波的透射比）。

解：112211221122221111222211121221121212cos cos (1)cos cos 'cos''cos'cos cos ''cos''cos'cos cos (2)12cos sin 2cos'sin'2cos sin 3,'sin()sin('')sin()s s ss s n n r n n n n n n r r n n n n t t θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθ-=+--===-++===+++∴同（）（）221122122122122112222221211124sin cos sin cos sin cos 4sin cos 'sin ()sin cos sin ()cos 4sin cos cos sin ()(4)3s s st t n t n θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθ⋅==⋅++=⋅=+同（）略9. 电矢量方向与入射面成45度角的一束线偏振光入射到两介质的界面上，两介质的折射率分别为121, 1.5n n ==，问：入射角150θ=度时，反射光电矢量的方位角（与入射面所成)b图10-39 习题8图的角）？若160θ=度，反射光的方位角又为多少？ 解：11112212121212sin 150sin ()30.7sin()()0.335,0.057sin()()'0.3350.335,'0.057'80.33'(2)0s p s p s s s s p p p s p s n n tg r r tg A A AA r A A A A r A A A tg A r θθθθθθθθθθθαα-=︒==︒--∴=-=-==++==∴==-=-==∴=⇒=-︒=-（），由折射定律入射光由反射系数有合振幅与入射面的夹角同理.421,0.042''()84.3'p s p r A arctg A α=-∴==︒10. 光束入射到平行平面玻璃板上，如果在上表面反射时发生全偏振，试证明折射光在下表面反射时亦发生全偏振。

证明：当入射角为布儒斯特角时，发生全偏振，反射光中只有s 波 第一次反射时，11312,90,,B n n tg n θθθθθ=+=︒==玻空n 第二次反射时，212',''90,''B nn n θθθθθ=+=︒=空B 玻，tg =n 得证。

亦可由,s p r r 求证.11. 光束垂直入射到45度直角棱镜的一个侧面，并经斜面反射后由底二个侧面射出（见图10-40），若入射光强为0I ，求从棱镜透过的出射光强I ？设棱镜的折射率为1.52，且不考虑棱镜的吸收。

图10-40 习题11图解：221223122212300010.52()()0.04261 2.5211 1.52()()0.042611 1.52,sin 1.52sin 4590110.0426110.04260.917n n n n I I I I ρρθθθρτρτ-===+--===++︒=⨯︒⇒>︒∴=∴==-⨯⨯-=经过第一面时，反射比为经过第三面时，反射比为经过第二面时，=45在此面发生全反射，即出射光强为（）（）12. 一个光学系统由两片分离透镜组成，两透镜的折射率分别为1.5和1.7，求此系统的反射光能损失。

如透镜表面镀上曾透膜，使表面反射比降为0.01，问此系统的光能损失又为多少？设光束以接近正入射通过各反射面。

解()()()()()222223412344)()0.04()()0.040.06711110.80220%0.01'10.010.96,4%R R R R R R R ττ=======∴=----==-=111220此系统有4个反射面，设光束正入射条件下，各面反射率为n -1 1.5-1R =(n +1 1.5+11-1n -1 1.51n +1+11.5光能损失为（初始为I ），损失若反射比降为，则损失13. 一半导体砷化镓发光管（见图10-41），管芯AB 为发光区，其直径3d mm ≈。

为了避免全反射，发光管上部磨成半球形，以使内部发的光能够以最大投射比向外输送。

要使发光区边缘两点A 和B 的光不发生全反射，半球的半径至少应取多少？(已知对发射的0.9nm λ=的光，砷化镓的折射率为3.4) 。

解：sin sin sin 1sin sin 1sin 3.41sin sin sin 3.43.4 3.4 5.12C R rRrRrAB Rr c c R dR r mmθαθαθθθθθθ=⋅∴≤≤==∴<⇒<=>=⨯=设半球半径为，由正弦定理，管芯边缘发光的入射角有最大为，最小为0，0若时仍不能发生全反射，则内所有光均不会发生全反射全反射角14. 线偏振光在玻璃-空气界面上发生全反射，线偏振光的方位角45α=度，问线偏振光以多大角度入射才能使反射光的s 波和p 波的相位差等于45度，设玻璃折射率 1.5n =。

解：()12222114124222112112cos (sin )2sin 1sin 1sin 021,45sin 0.64830.58421.5153.6349.85arcsin 41.811.5C S P tg n tg tg n n n δδθθδθδθθδθθθ=-=⎛⎫+-++= ⎪⎝⎭==︒=∴=︒︒==︒∴全反射时，波与波相位差为，且将代入有或或，而上述答案均可15. 线偏振光在1n 和2n 介质的界面发生全反射,线偏振光的方位角45α=度,证明当cos θ= 时(θ是入射角),反射光波和波的相位差有最大植。

式中21/n n n =。

证明：()()()()()()()()()()221222222222222cos cos2sin1cos,cos22112]12210,11[12]122S Ptgtg tg y xyx x n x x xdydx xdydxx x n x x x x n xxδθθδδδθ-==-==∴=--⋅----=-=---+-=--⋅-=全反射时，波与波相位差为若最大，则最大，令令则有221222111cos(),1nnnnθδ-+-∴=+当时取最大16. 圆柱形光纤（图10-42）其纤芯和包层的折射率分别为1n和2n，且1n>2n。