物理光学-光的特性(1.1.1)
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上式中两项分别代表:从原点沿半径方向向外发散的球 面光波;向原点传播的汇聚面光波。振幅与半径成反比例。
1.1 光的特性
1.1.2 几种特殊形式的光波
2.球面光波
球面光波的复数表达
三角形式
复数形式
复振幅
这就是球面光波的复数表达式
1.1 光的特性
1.1.2 几种特殊形式的光波
3.柱面光波
柱面光波是指一个各向同性的 无限长线光源,它向外发射的光波, 等相位面是以线光源为中心轴,随 着距离的增大而逐步扩展的同轴圆 柱面。
可见,能量密度与场强的平方成正比。能量随电磁波传播,在 各向同性的均匀介质中,能量传播方向即波的方向,与电矢量和磁 矢量互相垂直。
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
5.电磁波的能量
②坡印廷矢量S 的大小用单位时间内通过垂直于传播方向的单位 面积的能量来表示,方向则是能流传播方向。 容易找到能流密度和能量密度的关系。设dA是垂直于电磁波 传播方向的截面积,则在dt时间内通过这个面的辐射能为dW= ω· v· dA· dt, 按照定义: E2 H 2 dW S v v E 2 v H 2 EH S v dA dt 2 由于S方向即电磁波传播方向, 有:
1.1 光的特性
1.1.2 几种特殊形式的光波
1.平面光波
令
这就是平面波动方程的通解
1.1 光的特性
1.1.2 几种特殊形式的光波
1.平面光波
说明这个解的物理意义
①先设f2=0,则f =f1(z-vt). 对于满足z-vt=常数的z和t来说, 场都有相同的值。经过任意时间间隔∆t以后,(z,t)变成 (z+v∆t,t+∆t), 这时(z-vt) 仍保持不变;在沿波传播方向经过 任意空间间隔∆z后,(z,t)变成(z+∆z,t+∆z/v), 这时(z-vt) 保持不变,所以f1(z-vt)确实代表了一列沿z正方向传播的平面 波; ②同样容易判断,f2(z+vt)是沿相反方向, 即沿z负方向传播的 平面波。
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
3.物质方程 ①上述麦克斯韦方程组并未给出介质特性对电磁场量的影响, 即物质方程。 一般情况下物质方程是比较复杂的,与介质的物质结构和性质 有关。但对各向同性均匀介质,有很简单的关系 ,即:
D =εE, B = μH, J = σE
式中介电常数ε 、磁导率μ和电导率σ 。 ②对真空,分别用 εo、μo和σo表示,并且知道: ③相对介电常数和相对磁导率的概念,定义为:
机械电子工程专业重点基础课程
《工程光学》
——物理光学 (第一章 光在各向同性中的传输特性)
机械工程学院光机电一体化研究所
本章的主要内容
光的电磁理论;简单地叙述光的基本特性;讨论 光在各向同性介质中的传播特性;光在介质界面上的 反射和折射特性;
1.1 光的特性 1.2 光在各向同性介质界面上的反射和折射 1.3 光波在金属表面上的反射和折射
这就是平面简谐光波的三角函数表达式
1.1 光的特性
1.1.2 几种特殊形式的光波
1.平面光波
平面简谐光波的三角函数表达
上式中,e为E 振动方向的单位矢量;
2
k 称空间角频率(波数): k
空间周期(波长):λ 空间频率:
1
光在介质中的周期T与速度v的关系为: vT
1.1 光的特性
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
2. 麦克斯韦电磁方程(物理光学最基础的知识)
在1865年,麦克斯韦总结了当时关于电磁现象的一些规律,给 出了表征电场和磁场性质的四个积分方程:
式中E是电场强度,D是电感应强度(电位移矢量),H是磁场强度; B是磁场感应强度,Φe是电通量,Φm是磁通量,i是电流强度, qi是电荷。
三角形式
复数形式
复振幅
这就是球面光波的复数表达式, 振幅与半径的开方成反比。
1.1 光的特性
1.1.2 几种特殊形式的光波
4.高斯光束
高斯光束是指光束既不是均匀的平面光波,也不是均匀的球 面光波,而是一种振幅和等相位面都在变化的高斯球面光波。 激光器产生的各种模式的激光中,最基本、应用最多的是 基模高斯光束。 考虑到高斯光束的柱对称性,采用圆柱坐标系的形式:
下面的推导有如下的假设:
①在各向同性的介质中;
②远离辐射源;
③不存在自由电荷(ρ=0)和传导电流(J =0)。
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
4.电磁波动方程
在这种条件下,物质方程式为: D =εE, B = μH
因此,麦克斯韦方程简化为:
可以看出,此时电场E 和磁场H 有十分对称的关系,两者的 变化紧密联系在一起,并且容易得到电场和磁场各自变化的规律。
1.1 光的特性
1.1.2 几种特殊形式的光波
1.平面光波
平面简谐光波的三角函数表达
下面给出通解的一个最简单,但又是最基本,最常用的数学形式 谐波(亦称为正弦波或余弦波----三角函数)的数学表达式。 所谓谐波是指空间每点的振动是时间变量的谐函数波。 对于平面谐波,其数学表示式为:f A cos(t kz) B sin(t kz) 取z轴正向传播的平面光波,其电场就可以表示为:
E E (r , z , t ) 2 1 2 1 2 r 2 r r z 2 v 2 t 2 E 0
1.1 光的特性
1.1.2 几种特殊形式的光波
4.高斯光束
E0 E ( r, z, t ) e w( z )
r2 r2 i k ( z ) arctan 2 2R( z) w (z) z f it
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
4.电磁波动方程
麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律,指出任何随时
间变化的电场,将在周围空间产生变化的磁场;任何随时间变化的 磁场,将在周围空间产生变化的电场。变化的电场和磁场相互联系, 相互激发,并且以一定的速度向周围的空间传播。
交变电磁场就是以一定的速度向周围传播,应当满足描述这种 波传播规律的波动方程
1.1.2 几种特殊形式的光波
1.平面光波
平面简谐光波的复数表达
为了便于表达,通常把平面简谐光波的波函数写成复数形式:
三角形式
复数形式
省略表示实部的符号
这就是平面简谐光波的复数表达式
复数波动公式也可以把时间因子和空间因子分开: 复振幅
1.1 光的特性
1.1.2 几种特殊形式的光波
2.球面光波
球面光波是指一个各向同性的 点光源,它向外发射的光波,等相 位面为以点光源为中心,随着距离 的增大而逐步扩展的同心球面。
e
e
式中: 高斯光束的共焦参数或瑞利长度: 与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面的曲率半径: 与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面上的光斑半径:
基模高斯光束的束腰半径:
1.1 光的特性
1.1.2 几种特殊形式的光波
4.高斯光束
高斯分布与光斑尺寸
高斯光束的扩展
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
1. 电磁波谱
1) 按照其频率的次序排列成谱,称为电磁波谱; 2) 通常所说的光学区域包括: 红外线(0.76um~ 1mm ) ; 可见光(380nm ~760nm); 紫外线(10 nm ~400nm).
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程 1. 电磁波谱
1.1.2 几种特殊形式的光波
1.平面光波
平面光波是指波面(任一时刻振动 状态相同的各点所组成的面)为一平 面的波。
若P为t时刻的波面,则P上任一点 A的振动状态与B的振动状态相同。 图中OB与平面P垂直,是波的传播 方向。 假设平面波沿直角坐标系的z方向 传播: 2 f 1 2 f 1 1 2 2 0 f 0 2 z v t z v t z v t
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
2. 麦克斯韦电磁方程(物理意义) 第一式即高斯定理,说明在任何电磁场中,通过任一封闭曲面 的电通量等于此曲面内所包含的自由电荷的电量; 第二式是说,在任何电磁场中,通过任何封闭曲面的磁通量恒 等于零,即磁荷不存在; 第三式是法拉弟电磁感应定律表示式,说明在任何电磁场中, 电场强度沿任一封闭回路的线积分等于该回路所包含磁通量变化率 的负值。 第四式中id麦克斯韦称其为“位移电流”(有别于通常的传导 电流),则此式可写成:∮l H· dl=i+id 这是推广的安培定律,它 说明,在任何电磁场中,磁场强度沿任何封闭回路的线积分等于通 过此回路所包围的任意曲面的总电流强度。
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
4.电磁波动方程
可以推导得到: 同理: 令: 可以将上面两式得到非常重要著名的波动方程:
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
5.电磁波的能量
电磁波既然是电磁场的传播,而电磁场具有确定能量,因而波 动过程也是电磁能量的传播过程。 ①场的能量分布用能量密度ω表示,即场中某一点附近的一个 小体积元d V内的能量d W与该体积元之比: ω= d W/ d V。 从电学中知道,电场和磁场的能量密度公式分别为: 电磁场中任一点的总能量密度可写成:
3) 电磁波谱图
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
1. 电磁波谱
4) 各个波段的特点及其应用: ①X射线和γ射线的波长与原子间隔相当,具有相对较强的穿透力; X射线可以用于医学诊断,无损检测和晶体物质结构的研究;γ射 线对人体有害,但适当控制可以杀死癌细胞; ②紫外线 人眼不能直接感知,可用荧光屏,或照相乳胶,或光 电管来测量;紫外线能量高(能量与频率成正比),来自太阳的紫 外线的能量使大气层电离,从而产生电离层;紫外线对细胞、细菌 具有一定的杀伤力; ③红外线 人眼不能直接感知,但热效应显著,可用红外光电器件 显示红外图象,夜视仪就是按照这个原理;红外线也是当今光纤通 信的窗口波段; ④微波 常用电路获得,最著名的应用是雷达,微波炉,微波通信; ⑤视频和射频 是电视、广播电子学通信的主要工作波段;
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
2. 麦克斯韦电磁方程(微分方程) 积分形式的方程组只适合于一个有限大小范围的电磁场。对于 一给定点的电磁场,应该用麦克斯韦方程组的微分形式表示:
式中ρ和J 分别是给定点的自由电荷密度和传导电流密度, ▽称为微分算符矢量(〆/〆x ,Hale Waihona Puke Baidu/〆y ,〆/〆z).
S EH
1.1 光的特性
1.1.1 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程
5.电磁波的能量
③由于光波段电磁波的频率很高,人们接收的光能都是一定时间 间隔内的平均值,故用能流密度平均值表示光的强度I.考虑到光 波是简谐波,光强公式可以写成:
式E0和H0分别是光波中电波和磁波的振幅。
1.1 光的特性