《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap

nc v
与电磁波的公式比较
n rr
联系光学量 n 和电磁学量 r 、r的关系式
频段（波长）划分
频率范围 (kHz) 3 – 30
名称
甚低频(VLF) (10-100 km)
典型应用
远程导航、水下通信 声纳、授时
30 – 300
低频(LF) (1-10 km)
导航、水下通信 无线电信标
300 – 3000 中频(MF)
光通信系统
(0.4 – 0.1 m)
注：kHz = 103 Hz, MHz = 106 Hz, GHz = 109 Hz,
THz = 1012 Hz, mm = 10-3 m,
m = 10-6 m
麦克斯韦方程组
L
E
dl
t
SB dS
L
H
dl
J
t
SD dS
S D dS q
SB dS 0
由此可见，电场和磁场互相激发形成 统一的场----电磁场。变化的电磁场 可以 以一定的速度向周围传播出去。这种交变 电磁场在空间以一定的速度由近及远的传 播即形成电磁波。
介质的电磁性质方程
为了求解麦克斯韦方程组，还需要知道介质的电磁性质方程：
D 0E P E B 0H 0M H
J E Js
: 7.51014 ~ 4.110 14 Hz
1 A 1010 m 108 cm
1、在介质的界面上发生反射、折射现象 光 2、在传播中出现干涉、衍射、偏振现象 比较
3、实验测得光在真空中的传播速度为 c
结论：光是某一波段的电磁波 实验表明：若 v为光在透明介质中的传播速度，
n 为透明介质的折射率，则
广播、海事通信、
(100-1000m) 测向、遇险求救、
海岸警卫
频段（波长）划分
频率范围 (MHz)
名称
典型应用
3 – 30
高频(HF)
远程广播、电报、电话、
(10-100m) 飞机与船只间通信、船－岸通信、
业余无线电
30 – 300
甚高频(VHF)
电视、调频广播、陆地交通、
(米波）
空中交通管制、出租汽车、
E B t
H J D t
D
B 0
散度是“标量积” 一个矢量在
某点的散度表征 了该点“产生” 或“吸收”这种 场的能力,若一个 点的散度为零则 该点不是场的起 止点。
变化的磁场产生电场； 变化的电场产生磁场； 电荷可以单独存在，电 场是有源的； 磁荷不可以单独存在， 磁场是无源的。
30 – 300
极高频(VHF) （毫米波）
铁路业务、雷达着陆系统、 实验用
300 – 3000
亚毫米波
实验用
（0.1 – 1 mm）
频段（波长）划分
频率范围 (THz)
名称
典型应用
43 – 430
红外线
光通信系统
(7 – 0.7 m)
430 – 750
可见光
光通信系统
(0.7 – 0.4 m)
750 – 3000 紫外线
Chapter 1 光学基础知识 与光场传播规律
• 电磁波谱 • Maxwell方程 • 光波的表示与传播特性
电磁波谱
频率与波长的关系: v c ----真空中的光速
▲ 电磁波：
1、在介质的界面上发生反射、折射现象 2、在传播中出现干涉、衍射、偏振现象 3、由麦氏方程导出：
v
1
电磁波在介质中的传播速度
2E
0
E t
n2 c2
2E t 2
1
0
J s t
2H
0
H t
来自百度文库
n2 c2
2H t 2
J s
对时间的二次偏导项代表波动过程，一次偏导项为阻尼 项，表示损耗。该方程是电磁场广义波动方程的普遍形式， 在一定条件下可以简化。
不导电介 质中的有 源波动方 程 无源波动 方程
警察、导航、飞机通信
300 – 3000 •
特高频(UHF)
电视、蜂窝网、微波链路、
(分米波） 无线电探空仪、导航、卫星 通信、GPS、监视雷达、 无
线电高度计
频段（波长）划分
频率范围 (GHz)
3 – 30
名称
典型应用
超高频(HF) 卫星通信、无线电高度计、
（厘米波） 微波链路、机载雷达、气象 雷 达、公用陆地移动通信
电磁波源： 通常（线性）情况下
有外场作用（非线 性）情况下：
P oE
P o 1E 2EE 3EEE
Po P
• E 代表入射光场或其它外场；
• 1 2 3 代表材料对外场的响应；
• P 代表外场作用下对传播规律的影响； • P ~ E 关系是非线性的。
电磁场边值关系
在两介质的分界面上，一般会出现面电荷电流分布，使得物理量发 生跃变，微分形式的麦克斯韦方程组不再适用。因此，在介质分界面上， 需要用积分形式的麦克斯韦方程组描述界面两侧的场强以及界面上电荷 电流关系。当电磁场从一种介质传播到另一种介质时，满足下面的边界 条件：
rr 00
真空中 r r 1 c
1
00
c v
r r
c 电磁波在真空中的 传播速度，普适常数
E
▲ 讨论：
o
H
1、电矢量 E 磁矢量 H
EH k
光的传播方向 r
k 即相互垂直
2、对人眼和感光仪器起作用的是 E ，光波中的振动
矢量通常指E 。
3、可见光的波长范围
: 3900 ~ 7600 A
必须指出：以上关系式只适用于某些介质。实验指出存在许多不同类 型的介质，例如许多晶体属于各向异性介质，在这些介质内某些方向 容易极化，另一些方向较难极化，使得D与E一般具有不同方向，关 系就变成较为复杂的张量式。在强场作用下许多介质呈现非线性现象， 使得D不仅与E的一次式有关，而且与E的二次式、三次式等都有关系。 铁磁性物质的B与H的关系也是非线性的，而且是非单值的。
旋度是“矢量积”
磁感应强度的变化会
一个矢量场
引起环行电场；
在某点的旋度描
位移电流和传导电流 述了场在该点周
一样都能产生环行磁场； 围的旋转情况。
电位移矢量起止于存
在自由电荷的地方；
磁场没有起止点。
麦克斯韦方程组最重要的特点是它揭 示了电磁场的内部作用和运动规律。不仅 电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的 电场和磁场也可以互相激发。说明电磁场 可以独立于电荷之外而存在。
电位移矢量法向跃变： 磁感应强度矢量法向连续： 电场强度矢量切向连续： 磁场强度矢量切向跃变：
D2n D1n B2n B1n 0
E2t E1t 0
H 2t H1t
场量跃变的原 因是面电荷电 流激发附加的 电磁场
其中， 为自由电荷面密度， 为自由电流线密度。
波动方程
1、简单电介质中的时域波动方程