chap3光波的基本性質(zhì)ppt課件

1、第二章第二章 光波的基本性質(zhì)光波的基本性質(zhì) 幾何光學(xué)和波動光學(xué)是經(jīng)典光學(xué)的兩個(gè)組成部分，幾何光學(xué)從光的幾個(gè)基本定律出發(fā)，討論成像等特殊的光傳播問題所用的是幾何的方法，不涉及光的本性但是要真正了解光波場中發(fā)生的許許多多絢 麗多彩的景象，必須研究光的波動本性任何發(fā)光物體，都可以稱作光源任何發(fā)光物體，都可以稱作光源.普通光源：普通光源： 太陽太陽 火焰火焰 各種照明燈等各種照明燈等強(qiáng)光光源：強(qiáng)光光源： 激光激光2.1 光源、光波波長光源、光波波長 和光譜和光譜 光是一種電磁輻射，按能量供給的方式不同，發(fā)光可分為兩大類：（1） 熱輻射；熱輻射；（2） 光發(fā)射：光發(fā)射： 電致發(fā)光電致發(fā)光 場致發(fā)光場致發(fā)

2、光 化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光 光致發(fā)光光致發(fā)光 (400700)nm的窄小范圍各種波長的電磁波中，能為人所感受的是各種波長的電磁波中，能為人所感受的是這波段內(nèi)電磁波叫可見光，在可見光范圍內(nèi)，這波段內(nèi)電磁波叫可見光，在可見光范圍內(nèi)，不同頻率的光波引起人眼不同的顏色感覺不同頻率的光波引起人眼不同的顏色感覺對應(yīng)的頻率范圍是對應(yīng)的頻率范圍是 = （7.6 4.0）1014 HZ 760 630 600 570 500 450 430 400(nm) 紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫 光在介質(zhì)中的速度為光在介質(zhì)中的速度為.)(210rrov.rn定義光在介質(zhì)中的折射率為定義光在介質(zhì)中的折射率為,vcn 因而因而.)(

3、21rrvcn, 1r有有光學(xué)材料是非鐵磁質(zhì)光學(xué)材料是非鐵磁質(zhì), 光波的基本概念光波的基本概念光是極高頻率的電磁波，是橫波光是極高頻率的電磁波，是橫波.光在真空中的速度為光在真空中的速度為.)(2100c 真空中的光沒有色散，上式既是光在真空中的相速，又是光在真空中的群速.現(xiàn)代公認(rèn)的光在真空中速度最準(zhǔn)確的值是：./) 1 . 110997924562. 2(8秒米c 真空中的光速是物理學(xué)中的基本常數(shù)之一，它是一切有質(zhì)量的物體運(yùn)動速度極限. 光波由真空進(jìn)入介質(zhì)波長變短若某單色光波在真空中的波長為 0 ，進(jìn)入折射率為 n 的透明沒有吸收介質(zhì)中，波長變?yōu)?= 0/n ,但頻率不變因此沒有顏色的變化

4、在電磁波譜中與可見光相接的，短波一端是紫外線(4005nm)，長波一端是紅外線 (760nm 十分之幾毫米）有時(shí)討論問題時(shí)，常常把這兩個(gè)波段的電磁輻射包裹在內(nèi)單一波長的光叫單色光，單一波長的光叫單色光， 否則叫非單色光否則叫非單色光令令dI 代表光波在代表光波在 至至 d 之間的光的強(qiáng)度，之間的光的強(qiáng)度，ddIi)(代表單位波長間隔的光強(qiáng)，非單色代表單位波長間隔的光強(qiáng)，非單色光的光強(qiáng)按波長的分布叫做光譜光的光強(qiáng)按波長的分布叫做光譜)(i叫做譜密度叫做譜密度光源發(fā)出的總光強(qiáng)為光源發(fā)出的總光強(qiáng)為00.)()(didII熱輻射發(fā)射的是連續(xù)光譜熱輻射發(fā)射的是連續(xù)光譜.ddIddI123一些氣體如金屬蒸

5、汽放電發(fā)出的是線光譜一些氣體如金屬蒸汽放電發(fā)出的是線光譜.不同的化學(xué)不同的化學(xué)成分到都有自己的特征譜線成分到都有自己的特征譜線.每一條譜線只是近似的單色光，每一條譜線只是近似的單色光，都有一定的寬度都有一定的寬度 ，越小，單色性越越小，單色性越 好好.2-2 單色光波及其描述單色光波及其描述（1） 波場中各點(diǎn)的光振動是同頻率的簡諧振動波場中各點(diǎn)的光振動是同頻率的簡諧振動頻率與振源頻率同）頻率與振源頻率同）.（2） 波場中各點(diǎn)光振動波場中各點(diǎn)光振動 的振幅不隨時(shí)間變化，的振幅不隨時(shí)間變化，在空間形成穩(wěn)定的振幅分布在空間形成穩(wěn)定的振幅分布. 嚴(yán)格的定態(tài)光波嚴(yán)格的定態(tài)光波 場場 對應(yīng)無限長的波對應(yīng)無

6、限長的波 列單色光列單色光波）波）.實(shí)際光源發(fā)光，波列不是無限長實(shí)際光源發(fā)光，波列不是無限長.但是，只要光但是，只要光源原子發(fā)光持續(xù)時(shí)間比光振動周期大得多，都可以源原子發(fā)光持續(xù)時(shí)間比光振動周期大得多，都可以當(dāng)作單色當(dāng)作單色 光波來處理，其對應(yīng)的波場，可視為定態(tài)光波來處理，其對應(yīng)的波場，可視為定態(tài)光波場光波場.（3初始位相的空間分布與時(shí)間無關(guān) 平面電磁波 麥克斯韋方程組所描述的電磁波可以轉(zhuǎn)化為麥克斯韋方程組所描述的電磁波可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)二階偏微分方程。一個(gè)二階偏微分方程。 要決定解的具體形式，必須根據(jù)要決定解的具體形式，必須根據(jù) 滿足滿足的邊界條件和初始條件求解方程。的邊界條件和初始條件求解方程。

7、 由于其是一個(gè)三維波，平面波是三維波的的由于其是一個(gè)三維波，平面波是三維波的的一種基本形式，故通過它來討論電磁波的基一種基本形式，故通過它來討論電磁波的基本性質(zhì)是合理的、方便的。本性質(zhì)是合理的、方便的。 BE, 電磁波的波動微分方程表明：電磁波是電磁波的波動微分方程表明：電磁波是一種矢量波，將其寫成分量形式后，容一種矢量波，將其寫成分量形式后，容易發(fā)現(xiàn)易發(fā)現(xiàn) 的每一個(gè)分量都滿足同一形式的每一個(gè)分量都滿足同一形式的波動微分方程如：的波動微分方程如： 即在均勻各向同性介質(zhì)中，即在均勻各向同性介質(zhì)中， 只要研究典只要研究典型的標(biāo)量波動微分方程，就可以得到各型的標(biāo)量波動微分方程，就可以得到各分量隨時(shí)間

8、和空間的變化規(guī)律。分量隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。 BE,2x2x2tEE 注意：各分量大小一般并不相等，這與初始注意：各分量大小一般并不相等，這與初始條件和邊界條件有關(guān)。條件和邊界條件有關(guān)。 由上式還知，電磁波各分量的傳播速度是由上式還知，電磁波各分量的傳播速度是 顯然它是一個(gè)物質(zhì)常數(shù)，并可能存在色散。顯然它是一個(gè)物質(zhì)常數(shù)，并可能存在色散。 1v電矢量 磁矢量 光的傳播方向 EHrkHE1、2、對人眼和感光儀器起作用的是 ，光波中的振動 矢量通常指E 。EB與 同位相EEHko即相互垂直3、0000EHEcB介質(zhì)中真空中二、平面單色波與球面單色波的物理描述 0e0mOOzEcostvzBcost

9、vE,BEB式 中是 一 個(gè) 常 數(shù) ，是 常 矢 量沿Z軸正方向傳播的平面簡諧電磁波 沿任意方向傳播的平面單色光波),cos(0rkEE0t球面波 除平面波外，球面波也是常見的波。在光學(xué)中他由點(diǎn)光源產(chǎn)生。一 、球面波的波函數(shù):球面波：點(diǎn)狀振動源的振動向周圍空間均勻的傳播形成球面波。 從對稱性考慮，球面波的等相面是球面，并且其上的振幅處處相等。 當(dāng)考察點(diǎn)遠(yuǎn)離振動源，等相面的曲率半徑逐漸增大，最后接近于平面。所以，平面波是球面波的一種特殊形式 假定圓點(diǎn)振動的初位相為零，對于電矢量假定圓點(diǎn)振動的初位相為零，對于電矢量此時(shí)可看作標(biāo)量即此時(shí)可看作標(biāo)量即0=0 0=0 則有：則有： 可以看出，球面波的振

10、幅不再是常量，它可以看出，球面波的振幅不再是常量，它與離開波源的距離與離開波源的距離r r成反比，成反比， 其等相面為：其等相面為：r=r=常數(shù)的球面。常數(shù)的球面。 ocos()AEtkrr,)()(0rk0EEtieP或或tiiee)(00rkEE.)(tieP E式中式中,)()()(00rkEEiepP稱為復(fù)振幅表示了相位的空間分布復(fù)振幅稱為復(fù)振幅表示了相位的空間分布復(fù)振幅同時(shí)包含了振幅和相位兩個(gè)信息同時(shí)包含了振幅和相位兩個(gè)信息.模模E0(P) 描描述了振幅的空間分布，指數(shù)則描述述了振幅的空間分布，指數(shù)則描述了相位的空間分布了相位的空間分布)(0rki4. 復(fù)振幅復(fù)振幅 簡諧波可以用復(fù)數(shù)

11、表示簡諧波可以用復(fù)數(shù)表示.二、平面波、球面波的復(fù)振幅二、平面波、球面波的復(fù)振幅 ：稱稱 平面平面簡諧波的復(fù)振幅簡諧波的復(fù)振幅稱稱 為球面簡諧波的復(fù)振幅，為球面簡諧波的復(fù)振幅，并簡單的以它代表一個(gè)球面簡諧波并簡單的以它代表一個(gè)球面簡諧波 。簡諧球面波的參量特點(diǎn)：簡諧球面波的參量特點(diǎn)：1. 振幅：振幅：Ao/r不是一個(gè)常量，它隨不是一個(gè)常量，它隨r 增加而減??；但在增加而減??；但在r相同的相同的球面上，振幅是均勻的。球面上，振幅是均勻的。A0是一個(gè)常量，代表是一個(gè)常量，代表r=1處的振幅，處的振幅，表征振動源的強(qiáng)弱，稱為源強(qiáng)度。表征振動源的強(qiáng)弱，稱為源強(qiáng)度。oeikrAEr00coscoscos0

12、0i k rk xyziEE eE e 2. 位相：球面波的位相是即僅僅是r的函數(shù)，并指出了v的含義 說明：v是沿球面徑向的位相傳播速率。當(dāng)?shù)认嗝孀郧蛐南蛲鈧鞑r(shí)v0,稱為發(fā)散球面波，當(dāng)?shù)认嗝嫦蚯蛐臅蹠r(shí)v0，稱為會聚球面波。0krvk tdtdrd0v四、光強(qiáng)、光強(qiáng)的復(fù)振幅表示四、光強(qiáng)、光強(qiáng)的復(fù)振幅表示有電磁理論，電磁波的能流密度矢量波印有電磁理論，電磁波的能流密度矢量波印廷矢量為廷矢量為.HES電磁波中電磁波中EH，,00HErr因此能流密度的瞬時(shí)值為因此能流密度的瞬時(shí)值為.200ESrrHE因?yàn)橐驗(yàn)?rn,100c故故.20nEcS 我們檢測光波的存在和強(qiáng)弱，是通過光和物質(zhì)的相互作用但是

13、，任何檢測器件都有一定的響應(yīng)時(shí)間，都不能檢測電磁波能流密度的瞬時(shí)值，只能檢測其在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均值可見光振動周期可見光振動周期T10-14秒，人眼響應(yīng)秒，人眼響應(yīng)時(shí)間時(shí)間10-1秒，靈敏的光檢測器響應(yīng)秒，靈敏的光檢測器響應(yīng)時(shí)間時(shí)間10-9秒秒因此我們定義光的強(qiáng)度簡稱光強(qiáng)為因此我們定義光的強(qiáng)度簡稱光強(qiáng)為平均能流密度平均能流密度002011TdtnEcTSdtI式中式中),cos(00rktEETEdtET1202,211代入上式得代入上式得.21200nEcI不同介質(zhì)中兩光波相不同介質(zhì)中兩光波相 比較，比較，.20nEI 由于許多場合下，我們只討論光強(qiáng)的相對分由于許多場合下，我們只討論光強(qiáng)的相對

14、分布，因此令光強(qiáng)等于振幅的平方，即布，因此令光強(qiáng)等于振幅的平方，即.20EI .)()(PEPEI上式中相位因子抵消，它不進(jìn)入強(qiáng)度上式中相位因子抵消，它不進(jìn)入強(qiáng)度 I 的的表達(dá)式表達(dá)式上式定義的光強(qiáng)稱為相對光強(qiáng)用復(fù)振幅表示上式定義的光強(qiáng)稱為相對光強(qiáng)用復(fù)振幅表示同一種介質(zhì)中兩光波強(qiáng)度相比較，同一種介質(zhì)中兩光波強(qiáng)度相比較， ,20EI 五、光波的圖像描述，波前的概念對定態(tài)光波而言，波前泛指波場中的任一曲面，更多的是指一平面。波陣面和波射線波陣面和波射線平面波平面波球面波球面波波波線線波波陣陣面面波波陣陣面面波波線線1、在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)，波線和波陣面垂直。、在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)，波線和波陣面

15、垂直。注：注：2、在遠(yuǎn)離波源的球面波波面上的任何一個(gè)小部份，、在遠(yuǎn)離波源的球面波波面上的任何一個(gè)小部份，都可視為平面波。都可視為平面波。光波光波 的獨(dú)立傳播定律的獨(dú)立傳播定律 當(dāng)兩列光波在空間當(dāng)兩列光波在空間相遇，它們的傳播互不干擾，好象其他光波相遇，它們的傳播互不干擾，好象其他光波不存在一樣，各自攜帶各自的信息傳播方不存在一樣，各自攜帶各自的信息傳播方向，振動方向，波長，周期等獨(dú)立行進(jìn)向，振動方向，波長，周期等獨(dú)立行進(jìn).光波的線性疊加原理光波的線性疊加原理 當(dāng)兩列波或多列當(dāng)兩列波或多列波同時(shí)存在時(shí)，在他們的交疊區(qū)內(nèi)，每點(diǎn)波同時(shí)存在時(shí)，在他們的交疊區(qū)內(nèi)，每點(diǎn)的光振動，是各列波單獨(dú)存在時(shí)在該點(diǎn)產(chǎn)

16、生的光振動，是各列波單獨(dú)存在時(shí)在該點(diǎn)產(chǎn)生的光振動的合成。用數(shù)學(xué)式表示的光振動的合成。用數(shù)學(xué)式表示.21nnEEEE光波的線性疊加的條件是：光波的線性疊加的條件是： (1線性媒質(zhì)，（線性媒質(zhì)，（2非強(qiáng)光光源非強(qiáng)光光源. 復(fù)振幅法設(shè)有N個(gè)振動方向、頻率相同的單色光波在空間相遇第i列光波可表示為：矢量圖解法： ox1E2EE12 011,1022,2coscosp tppp tppEEtEEt0( , )2cos()cos()22E z tEkzt2kzm1()22kzm2zzk2zzkz/223/205/2n2n1n2y1011E cos(tk z)E2022E cos()Etk z 1201122E cos() cos()EEEtk ztk z012121212112E cos ()()cos ()() 22Ekk ztkk zt