光波與介質的基本性質PPT課件

1、物理光學 第二章 光波與介質的基本性質 牛牛文庫文檔分享 2 主要內容 平面電磁波 球面波和柱面波 折射率、光的吸收和色散 平面波的疊加 平面波的反射與折射 牛牛文庫文檔分享 3 平面電磁波 1 )91.(.0 1 )81.(.0 1 2 2 2 2 2 2 2 2 v t B v B t E v E 其中 波動方程 牛牛文庫文檔分享 4 視頻展示：視頻展示：plane wave 牛牛文庫文檔分享 5 波動方程的平面波解 0/ 0/ yBxB yExE 0 1 0 1 2 2 22 2 2 2 22 2 t B vz B t E vz E 牛牛文庫文檔分享 6 )( 2 cos )( 2 co

2、s vtzAB vtzAE 波的相位.)( 2 簡諧波的波長， 電場、磁場的振幅，、式中： vtz AA 有有時時也也稱稱為為：波波前前 等相面或波面，constvtz )( 2 平面簡諧波平面簡諧波(平面波平面波) 牛牛文庫文檔分享 7 )( 2 cosvtz , 2 cosz ),( 2 cosvtz 牛牛文庫文檔分享 8 波的參量 波的頻率（frequency）： 角頻率（angular frequency ）： 周期（period）： / ,fv 22/fv )( 2 cosvtzAE )(2cos )cos( T tz AE tkzAE 1/Tf 單色平面波：單色平面波：時間周期性時

3、間周期性、空間周期性空間周期性 牛牛文庫文檔分享 9 時間周期性： 空間周期性： , 12 , T f k /fv n/ 0 牛牛文庫文檔分享 10 一般坐標系下的波函數(shù) )cos(tkzAE rkz 0 )cos(trkAE 牛牛文庫文檔分享 11 )cos(trkAE constrk )coscoscos(costzyxkAE )cos,cos,(cos kk ),(zyxr 牛牛文庫文檔分享 12 Reexp ()EAi k rt 牛牛文庫文檔分享 13 exp ()EAi k rt *2 EEA 牛牛文庫文檔分享 14 平面簡諧波的復振幅平面簡諧波的復振幅 exp()EAik r ex

4、p ()EAi k rt exp()exp()EAik ri t 時間位相因子時間位相因子空間位相因子空間位相因子 牛牛文庫文檔分享 15 討論：平面簡諧波在某一平面上的復振幅分布討論：平面簡諧波在某一平面上的復振幅分布 )cosexp()exp( ikxArikAE z x o y x o 牛牛文庫文檔分享 16 E （1）kE，kB(橫波性) （2）EB BkBEkEi0 ,i0 BEk BBEkE it-i 平面電磁波的性質平面電磁波的性質 牛牛文庫文檔分享 17 （3）E和B同位相 令：k0為波矢方向的單位矢量， v 1 0 B E EkB 牛牛文庫文檔分享 18 例題：一均勻平面波在

5、空氣中沿z方向傳播，其電場強度為： )/( )4/102cos(105 14 0 4 mV tzkxExE x 牛牛文庫文檔分享 19 球面波和柱面波 牛牛文庫文檔分享 20 視頻展示：spherical wave 牛牛文庫文檔分享 牛牛文庫文檔分享 22 0 11 2 2 2 2 2 t E vr E r rr 0 1 2 2 22 2 rE tv rE r )cos(tkr r A E )(exptkri r A E 牛牛文庫文檔分享 牛牛文庫文檔分享 24 0 1 2 2 22 Er tvr E r r )cos(tkr r A E )(exptkri r A E 牛牛文庫文檔分享 25

6、 2-3 (2.8)光的吸收、色散和散 射(1.9) 牛牛文庫文檔分享 26 2-3 dx xI xdI dxxIxdI )( )( )()( 稱為透射深度 當 解得： /1./ ,/1. )( 0 0 eII x eIxI x 牛牛文庫文檔分享 27 2-3 tiexpz c n AE 平面波，無吸收時： )1 ( inn tiexpexpz c n z c n AE 牛牛文庫文檔分享 28 2-3 )1 ( inn )exp( 0 zII tiexpexpz c n z c n AE 牛牛文庫文檔分享 29 2-3 牛牛文庫文檔分享 30 2-3 牛牛文庫文檔分享 31 2-3 牛牛文庫文

7、檔分享 32 2-3 牛牛文庫文檔分享 33 2-3 牛牛文庫文檔分享 34 2-3 牛牛文庫文檔分享 35 2-3 d dn 0 , d dn n 即： 牛牛文庫文檔分享 36 2-3 42 CB An 0 , d dn n 即： 牛牛文庫文檔分享 37 2-3 牛牛文庫文檔分享 38 2-3 4 1 I 2 2/ cos1)( II 牛牛文庫文檔分享 39 2-3 牛牛文庫文檔分享 40 2-3 10).3( 101 . 0).2( 1 . 0).1 ( a a a 4 1 I 1 , 1 , 1 , 23 aa 牛牛文庫文檔分享 41 2-3 牛牛文庫文檔分享 42 2-3 牛牛文庫文檔

8、分享 43 兩個頻率相同、振動方向相同的單色光波疊 加 研究對象：頻率相同、振動方向相同，P點光 波相遇區(qū)域任一點，求在P點的光振動。 牛牛文庫文檔分享 44 2-4 2cosI4AI 2 )rn(r2)rk(r 2cosa4A 2 0 2 0 0121212 222 牛牛文庫文檔分享 45 8:15 2-4 tiAexpEEE tiexpaE tiexpaE 21 222 111 牛牛文庫文檔分享 46 8:15 2-4 牛牛文庫文檔分享 47 8:15 2-4 牛牛文庫文檔分享 48 8:15 2-4 E B 牛牛文庫文檔分享 49 兩個傳播方向、振動方向、振幅 相同，頻率不同的單色波的疊

9、加 k 牛牛文庫文檔分享 50 2-4 牛牛文庫文檔分享 51 2-4 consttzk constk m tz m 牛牛文庫文檔分享 52 8:15 2-4 k kv mmg / dk dv kv dk kvd dk d p p p )( d dv v dk dv kvvk p p p pg , 2 作業(yè)：作業(yè)：2.8, 2.9, 2.13 牛牛文庫文檔分享 53 2-1A (2.4.4, 6.1) 光的偏振(2.3, 7.1) 牛牛文庫文檔分享 54 2-1A 牛牛文庫文檔分享 55 2-1A mM mMP II II I I P 總 牛牛文庫文檔分享 56 2-1A 牛牛文庫文檔分享 5

10、7 2-1A 牛牛文庫文檔分享 58 2-1A 牛牛文庫文檔分享 59 2-1A 牛牛文庫文檔分享 60 2-1A )cos( )cos( yoyy xoxx tkzEE tkzEE yx jEiEE 牛牛文庫文檔分享 61 2-1A 2 2 2 sincos2 oy y ox x oy y ox x E E E E E E E E xy 牛牛文庫文檔分享 62 2-1A 2 2 2 sincos2 oy y ox x oy y ox x E E E E E E E E oy ox y x E E E E 牛牛文庫文檔分享 63 2-1A 2 2 2 sincos2 oy y ox x oy

11、y ox x E E E E E E E E oyxEEE 222 牛牛文庫文檔分享 64 2-1A 牛牛文庫文檔分享 65 2-1A yx jEiEE )(exp )(exp yoyy xoxx tkziEE tkziEE )(exp )(exp -E-瓊斯 yoy xox y x kziE kziE E E 矢量 牛牛文庫文檔分享 66 2-1A xy ox oy x oyox ox E E a i EE E ia 0 22 0 ;:其中 )exp( )exp( 1 )exp( )exp( )(exp )(exp yoy xox yoy xox iE iE kziE kziE 牛牛文庫文檔

12、分享 67 2-1A 光矢量光矢量瓊斯矢量瓊斯矢量 沿沿x軸軸 沿沿y軸軸 與與x軸成軸成45角角 與與x軸成軸成 角角 1 0 0 1 1 1 12 cos sin 線偏振光的瓊斯矢量 牛牛文庫文檔分享 68 8:152021-4-24 2-1A 圓偏振光的瓊斯矢量 光矢量光矢量瓊斯矢量瓊斯矢量 右旋右旋 左旋左旋 1 1 2i 1 1 2 i 牛牛文庫文檔分享 69 8:15 2-5 平面波在兩介質界面上的反射和折 射(1.6, 1.7) 牛牛文庫文檔分享 70 2-5 0 iy k izix i kkkik )( y jxir 牛牛文庫文檔分享 71 2-5 rktiE rktiErkt

13、iE rktiEE EEEEE tt ot t rr or t ii oi t tritriotoroitri t t t r t itt exp expexp exp )( )()( , )()()( 21 牛牛文庫文檔分享 72 2-5 y jxir tytx ot t ryrx or t iyix oi t kykxiE kykxiE kykxiE exp exp exp )( )( )( 牛牛文庫文檔分享 73 2-5 tytx ot t ryrx or t iyix oi t kykxiE kykxiEkykxiE exp expexp )( )()( tyryiy kkk 平面內）

14、共面（都在 xz 0 , tri tyryiy k kkk 牛牛文庫文檔分享 74 2-5 txrxix kkk tytx ot t ryrx or t iyix oi t kykxiE kykxiEkykxiE exp expexp )( )()( ti ri rritri t t t r r r i i i t t tx r r rx i i ix nn nnvvv vvv kk kk kk sinsin ;/; sinsinsin sin sin sin 21 12 )( )( )( 推出：又因為： 牛牛文庫文檔分享 75 8:15 2-5 ti ri tri tri nn kkk si

15、nsin , 21 共面 結論： 牛牛文庫文檔分享 76 2-52-5 rktiE rktiErktiE tt os t rr os r ii os i exp expexp )( )()( tt EE 21 )()()(t s r s i s EEE 牛牛文庫文檔分享 77 8:15 2-5 )()()( )()()( 0; 0; t os r os i os t x r x i x x tyryiytri EEE kkk xkrk zkkk 又因為： 又因為： rktiE rktiErktiE tt os t rr os r ii os i exp expexp )( )()( X Z E

16、s Hp 2 )( 01 )( 01 )( 0 21 coscoscos t p r p i p tt HHH HH 得： 再由： 2 )( 021 )( 011 )( 01 0 0 0 02211 coscoscos ;sinsin t s r s i s sp EnEnEn EnHnn 得： 非鐵磁材料再由： 牛牛文庫文檔分享 78 2-5 2211 11 21 21 )( )( 2211 2211 21 21 )( )( coscos cos2 )sin( sincos2 coscos coscos )sin( )sin( S nn n E E t nn nn E E r i os t

17、os s i os r os s 光，得：綜合上面等式，對于 2112 11 2121 21 )( )( 2112 2112 21 21 )( )( coscos cos2 )cos()sin( sincos2 coscos coscos )tan( )tan( P nn n E E t nn nn E E r i op t op p i op r op p 光，得：類似對于 牛牛文庫文檔分享 79 2-5 pp ss t n n r tr 1 2 1 1 牛牛文庫文檔分享 80 8:15 2-5 牛牛文庫文檔分享 81 2-5 牛牛文庫文檔分享 82 8:15 2-5 X Z )(s i E

18、 )(P i E )(P r E )(S r E 牛牛文庫文檔分享 83 8:15 2-5 X Z )(s i E)(P i E )(P r E )(S r E 最后，總結一句話：最后，總結一句話： 平面波從平面波從光疏到光密光疏到光密，在接近，在接近 正入射正入射或或掠入射掠入射時，時，反射光反射光會會 有有相位的變化；其它情況無相位的變化；其它情況無 變化！變化！ 牛牛文庫文檔分享 84 人物傳記菲涅耳 牛牛文庫文檔分享 85 2-5 反射率、透射率 1; ; TRWWW W W T W W R tri i t i r rti III 牛牛文庫文檔分享 86 2-5 t ot ttt r

19、or rrr i oi iii EIW EIW EIW cos 2 1 cos cos 2 1 cos cos 2 1 cos 2 0 2 2 0 1 2 0 1 光 光 光 光 p n n tT s n n tT n n E E W W T prR srR E E W W R pp ss oi ot i t pp ss oi or i r . cos cos . cos cos cos cos . . 11 22 2 11 22 2 11 22 2 2 2 2 牛牛文庫文檔分享 87 2-52-5 牛牛文庫文檔分享 88 2-5 ps ps i pisi iip iis TTT RR W R

20、WRW R WW WW 22 22 22 2 2 cossin cossin cossin cos sin 類似，得： i pisi iipis W RWRW R WWW 2 1 2 1 2 1 ps ps TTT RRR 2 1 2 1 類類似似，得得： 牛牛文庫文檔分享 89 2-5 1. 2 . R ci tci 如 0. pBi R )/arctan( 2/ 0 )(tan )(tan 12 2 21 2 21 2 nn R B B p 由 牛牛文庫文檔分享 90 2-5 ；反反、折折射射光光仍仍為為自自然然光光 時時：或或 . )(, 2/, 0 21 nn cii ，折折射射光光為

21、為部部分分偏偏振振光光 反反射射光光為為線線偏偏振振光光 時時， . Bi 一一般般為為部部分分偏偏振振光光。 時時， . 2/, 0 Bi 牛牛文庫文檔分享 91 8:15 2-5 例題：電矢量振動方向與入射面成450角的偏振光入 射到兩種介質分界面，介質1和介質2的折射率分 別為n11，n21.5。問下列兩種情況下反射光 中電矢量與入射面所成角度是多少？ 1）入射角1500；2）1600. 2021-4-24 牛牛文庫文檔分享 92 2-5 全反射 (total reflection) 1 2 1 2 sinsin n n 系數(shù)？不存在，如何計算反射 在全反射時， 2 1 2 1 2 1s

22、insin n n 反射系數(shù)反射系數(shù): ).(1 )/( sin cos 2 12 2 1 2 b nn i ).(sinsin 1 2 1 2 a n n )tan( )tan( 21 21 p r )sin( )sin( 21 21 s r 牛牛文庫文檔分享 93 8:15 2-5 2021-4-24 )/arctan().2exp(1ab iba iba 其中注意到： )exp( sincos sincos )exp( sincos sincos 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 ppp sss ir nin nin r ir ni ni r 1 2 n n n 其其中中： 1 22 1 21 1 2 1 21 cos/sintan2 cos/sintan2 1 nn n rr p s ps 牛牛文庫文檔分享 94 8:15 2-5 2021-4-24 1 2 2 1 2 1