《大学物理》波动光学基础解析

E
S
H
S EH
根据平均值的定义，在一个周期T内平均能留密度的大 小用I表示
I S 1 tT EHdt Tt
光学中通常把平均能流密度I称为光强
➢ 平面简谐电磁波的平均能流密度为
I 1
T
t T t
E0 H 0
cos2 (t
r )dt u
1 2
E0 H 0
1 2
E02
三、光是一种电磁波 平面电磁波方程
第四篇 波动光学
波动光学基础
上海同步辐射装置全景
研究内容 ：
1 光是电磁波 2 光源 光的干涉 3 获得相干光的方法
杨氏双缝实验 4 光程与光程差 5 薄膜干涉 6 迈克耳孙干涉仪 7 惠更斯—菲涅耳原理 8 单缝的夫琅禾费衍射 9 衍射光栅及光栅光谱 10 线偏振光 自然光
11 偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律
12 反射和折射产生的偏 振 布儒斯特定律
13 双折射现象 14 椭圆偏振光
偏振光的干涉 15 旋光效应简介
§1 光是电磁波
一、光的本质
17—18世纪是光学发展史上的一个重要时期。伽利略 、开普勒发明了天文望远镜，斯涅尔、笛卡儿导出了光 的折射定律和反射定律。历史上对于光的本质存在争论 。1.光的两种学说
度传播就形成电磁波。
+ Q0
+
+
L
C
Q0
-
-
振荡电偶极子
2. 真空中的平面简谐电磁波及其特性
任何形式电磁波 分解 平面简谐电磁波
叠加
沿x轴传播的平面简谐电磁波电场强度 E和磁场强
度 H可分别表示为：
EuΒιβλιοθήκη E(x,t)
E0
cos(t
x u
)
H
H
(x,
t)
H0
cos(t
x u
)
特性
理论和实验都证明平面简谐电磁波具有下列特性
且微粒说能比较直观地说明光的直线传 播现象，波动说未被普遍接受
1801年，英国物理学家托马斯·杨首先利用双 缝实验观察到了光的干涉条纹，从实验上证 实了光的波动性。光的干涉、衍射、偏振等 实验表明，光具有波动性，并且是横波
2.光的本质
①光的电磁理论
1865年，英国物理学家麦克斯韦从他的电 磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光 就是一种电磁波。之后，赫兹从实验上证 实了麦克斯韦电磁场理论的正确性。人们 才认识到光不是一种机械波，而是一种电 磁波。随后的理论和实验也进一步证明了 光是一种电磁波，从而形成了以电磁理论 为基础的波动光学
n r
3. 电磁波的能量 在各向同性介质中，电磁能量传播方向与波速方向相同
辐射能： 电磁波所携带的电磁能量也称辐射能。 是以电磁波的形式传播出去的能量。
能流密度：单位时间通过垂直电磁波传播方向单位面积 的辐射能称为能流密度，也称为波的强度
在电磁学中，通常把矢量形式表示的能流密度称为
坡印亭矢量，常用 S表示
①牛顿微粒学说
牛顿支持光的微粒学说，他认为光是发 光物体发出的遵循力学规律做等速运动 的粒子流。微粒学说可以解释光的直线 传播光的反射和折射规律，并认为光在 水中的传播速度比空气中的速度大。
②惠更斯波动学说 惠更斯支持光的波动学说，他认为光是 一种机械波，它依靠所谓的弹性介质“ 以太”来传播。波动说也能解释光的反 射和折射规律，并能说明双折射现象， 但是认为光在水中的传播速度比空气中 的速度小。由于牛顿有较高的威望，而
② 光的量子理论：粒子性
在光的波动理论获得巨大成功的同时，也遇到了严重的
困难，例如，这一理论无法解释黑体辐射、光电效应和
原子线状光谱等问题。1900年，Planck提出辐射的量
子理论。1905年，爱因斯坦提出光量子理论，用光量
子理论解释了光电效应实验。说明光具有粒子性，具有
能量、动量等。在此基础上人们建立了量子光学，并把
可见光的范围
E
E0
cos (t
r) u
H
H0
cos (t
r) u
: 400 ~ 760 nm
: 7.51014 ~ 4.31014 Hz
光矢量：可见光的一个主要特点是对人眼睛能引起视 觉。实验表明，引起视觉和光化学效应的是光波中的 电场矢量E。另一方面，带电粒子在电磁场中运动时
（ v ）c，相对带电粒子所受电场的作用力来说，受
波动光学和量子光学称为物理光学。
光的本质：具有波粒二象性
波动性：光的传输过程
粒子性：光与物质的相互 作用过程
二 电磁波的产生与传播 1.电磁波的波源
任何振动电荷或电荷系都是反射电磁波的波源，如天线中振荡的 电流、振荡的电偶极子、以及原子或分子中电荷的振动都会在其 周围空间产生电磁波。这是因为振动的电荷或电荷系在其周围产 生变化的电场，变化的电场又产生变化的磁场，变化的磁场又产 生变化的电场，这样互相激发，变化的电磁场在空间以一定的速
➢
电磁场能量体密度
w we wm
1 (E2
2
H 2 )
设在垂直于电磁波传播方向x上取一面积元dA,则在dt时
间内通过面积元dA的辐射能应为wudAdt
∴能流密度S大小为：
S wudAdt wu u (E2 H 2 )
dAdt
2
方向：u，与 E和 三H者构成右
螺旋关系
S EH
S EH
X射线
波长 m 108
104
100 104 108 1012 1016
无线电波 310 4 m ~ 0.1 cm 紫外线 400 nm ~ 5 nm
④ 介质中电磁波的传播速度决定于介质的介电常数 和磁导率 u 1
真空中的光速 u c 1 00 2.998108 ms1
⑤ 电磁波在两种不同介质的分界面上要发生发射和折
射电磁波在真空中的速率c与在某种介质中的传播速
率之比称为该介质的绝对折射率n，简称折射率。
n c u
r r
非铁磁性介质 r 1
① 电磁波场矢量 E和 H，在同一地点同时存在，具有
相同的相位，以相同的速度传播
②
电磁波是横波
E
u,
H
u
三者满足右螺旋关系
EH
E
O H
平面电磁波
u
x
E 和H 分别在各自的振动面内振动，这个特性称
为偏振性，只有横波才具有偏振性
③ 在空间同一点处， E和 H数值成比例
E H r0 r0
磁场的作用力要小得多，以致可忽略不计。因此，常 把 矢E量称为光矢量。
电磁波谱
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
频率Hz
长波无线电波
红外线 紫外线
760 nm 可见光 400 nm
射线
短波无线电波