高等光學(xué)課件cxr-第1講

第一講2013.09.10高等光學(xué)光學(xué)工程碩士研究生課程光學(xué)是物理學(xué)的基本內(nèi)容，物理學(xué)的發(fā)展每一個(gè)階段與光學(xué)密切相關(guān)。在傳統(tǒng)物理學(xué)中，光的傳播理論和波動(dòng)理論與經(jīng)典力學(xué)、電磁學(xué)構(gòu)成物理學(xué)的主體?，F(xiàn)代物理學(xué)中，光的粒子性在量子理論和相對(duì)論對(duì)人們研究微觀物質(zhì)和宏觀世界發(fā)揮著重要作用。前言光學(xué)技術(shù)在各個(gè)重大科技發(fā)展階段均發(fā)揮重要的推動(dòng)作用。（目前最活躍的學(xué)科與技術(shù)是電子、材料、生命和光學(xué)）無(wú)論從理論上或應(yīng)用技術(shù)角度出發(fā)，從事物理學(xué)或光學(xué)技術(shù)的人員都應(yīng)對(duì)光學(xué)基本理論有較深的了解。一、光學(xué)的基本理論②粒子理論（光子）量子光學(xué)理論（場(chǎng)的量子化理論為基礎(chǔ)）→研究光子的特性及規(guī)律——光子產(chǎn)生淹沒(méi)過(guò)程（物質(zhì)的光吸收與發(fā)射）→解決光與物質(zhì)相互作用問(wèn)題（能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，包括非線形光學(xué)即強(qiáng)光光學(xué)）→主要應(yīng)用于微觀光與物質(zhì)相互作用。①波動(dòng)理論（電磁波）經(jīng)典光學(xué)理論（麥克斯韋電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)）→研究傳統(tǒng)光學(xué)→解決光傳輸、成像問(wèn)題→主要應(yīng)用于宏觀體系；由于光波是一種頻率非常高的電磁波，人眼及光學(xué)儀器測(cè)量的信息是光強(qiáng)，光學(xué)的研究?jī)?nèi)容與普通電磁波有區(qū)別；同時(shí)考慮到應(yīng)用上的要求與特點(diǎn)，在一定近似情況下，有相應(yīng)部分應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容（幾何光學(xué)）。光的兩種屬性：波動(dòng)性和粒子性相應(yīng)的光學(xué)兩種基本理論光譜學(xué)：利用色散（波）技術(shù)，研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、成份。信息光學(xué)：利用波的特征，研究信息傳輸、存儲(chǔ)與處理。特殊波段光學(xué)：紅外光譜（光學(xué)）、X射線理論及應(yīng)用。晶體光學(xué)：特殊物質(zhì)（特是各向異性物質(zhì)）中光波的傳播特性。光電子學(xué)：光學(xué)與電子學(xué)交叉學(xué)科。其中包括激光原理，強(qiáng)光源器件理論（半經(jīng)典理論），傳播部分為波動(dòng)，發(fā)射與吸收部分為光量子理論。色度學(xué)：光譜亮度分布應(yīng)用理論，顏色理論。二、從基礎(chǔ)光學(xué)出發(fā)的相關(guān)內(nèi)容

——與光學(xué)交叉學(xué)科及應(yīng)用方面的相關(guān)光學(xué)理論三、研究方法普通光學(xué)：由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象入手，應(yīng)用高等數(shù)學(xué)知識(shí)，得出基本規(guī)律或定律，建立相應(yīng)的理論關(guān)系。內(nèi)容具體，容易理解。彼此之間相對(duì)獨(dú)立，缺少系統(tǒng)性，完整性。高等光學(xué)：從光的最基本性質(zhì)出發(fā)（光的兩種屬性之一——波動(dòng)性為基礎(chǔ)），利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法，建立理論體系，解釋各種自然光學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律。高等光學(xué)是一門理論課，應(yīng)養(yǎng)成從理論上對(duì)客觀現(xiàn)象基本規(guī)律進(jìn)行描述的習(xí)慣，要求學(xué)生具有較好數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及清晰的物理圖像。學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)注意：由于受理論推導(dǎo)關(guān)系的限制，許多問(wèn)題的求解需要在近似條件下進(jìn)行，因此，需要掌握處理問(wèn)題的近似尺度、前提條件或應(yīng)用條件，近似的結(jié)果應(yīng)在絕大多數(shù)光學(xué)傳播問(wèn)題的應(yīng)用中能完全滿足/符合客觀情況和客觀要求。四、本課程的基本要求五、課程內(nèi)容

光的基本電磁理論、干涉的理論基礎(chǔ)、光學(xué)薄膜、光的偏振、晶體光學(xué)基本知識(shí)、光波的調(diào)制六、主要參考書M.Born&E.wolf，光學(xué)原理，北京：電子工業(yè)出版社，2005羊國(guó)光，宋菲君，高等物理光學(xué)，合肥：中國(guó)科技大學(xué)出版社，2008廖延彪，光學(xué)原理與應(yīng)用，北京：電子工業(yè)出版社，2006陳軍，光學(xué)電磁理論，北京：科學(xué)出版社，2006

平時(shí)（10%）

&期末考試（限時(shí)開卷，60%）=本課程成績(jī)&&期末小論文（30%）

七、考核方式第一章光的基本電磁理論§1－1麥克斯韋方程組1864年，Maxwell在總結(jié)安培、法拉第等人關(guān)于電場(chǎng)、磁場(chǎng)研究工作的基礎(chǔ)上，歸納得出描述統(tǒng)一的電磁場(chǎng)規(guī)律的麥克斯韋方程組（Maxwell

Equations），建立了完整的電磁場(chǎng)理論。1865年Maxwell進(jìn)一步提出了光是一種電磁波的設(shè)想1888年赫茲實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：電磁波的傳播速度=光的傳播速度→結(jié)論：光是一種電磁波；光的電磁理論由此得以確立。

光的電磁理論的建立推動(dòng)了光學(xué)及整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展，盡管在理論上有其局限性，但它仍是闡明眾多光學(xué)現(xiàn)象的經(jīng)典理論。1、靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒電流磁場(chǎng)的基本規(guī)律一、積分形式的麥克斯韋方程組靜電場(chǎng)高斯定理:通過(guò)任意閉合曲面的電位移通量（有源無(wú)旋場(chǎng)）

靜電場(chǎng)環(huán)路定律:電場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合曲線的線積分（保守場(chǎng)）

靜磁場(chǎng)環(huán)路定律:磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合曲線的線積分(安培環(huán)路定律）靜磁場(chǎng)高斯定理:通過(guò)任意閉合曲面的磁通量（無(wú)源有旋場(chǎng)）

10麥克斯韋假定：在交變電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)中，高斯定理依然成立。變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，將靜電場(chǎng)的環(huán)路定律代之以渦旋電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的環(huán)流表達(dá)式；對(duì)靜磁場(chǎng)的環(huán)路定律則引入位移電流的概念后進(jìn)行修改，得出適用于交變電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組。電荷激發(fā)電場(chǎng)（保守場(chǎng)）：（1）式意義：任何電場(chǎng)中通過(guò)任意閉合曲面的電位移通量為閉合曲面內(nèi)自由電荷和。（2）式意義：電場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合曲線的線積分為回路中磁通量隨時(shí)間變化率的負(fù)值。（2）2、交變電磁場(chǎng)的基本規(guī)律（1）變化的磁場(chǎng)激發(fā)電場(chǎng)（渦旋場(chǎng)）：傳導(dǎo)電流所激發(fā)的磁場(chǎng)（渦旋場(chǎng)）：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)（渦旋場(chǎng)）：（3）(3)式意義：任何磁場(chǎng)中通過(guò)任意閉合曲面的磁通量為零。傳導(dǎo)電流所激發(fā)的磁場(chǎng)（渦旋場(chǎng)）：位移電流產(chǎn)生磁場(chǎng)（渦旋場(chǎng)）：（4）（4）式意義：在傳導(dǎo)電流和位移電流共同激發(fā)的磁場(chǎng)中，總磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)流為傳導(dǎo)電流和電位移通量隨時(shí)間的變化率之和。二、微分形式的麥克斯韋方程組

積分形式描述的是場(chǎng)在某一面積元或者體積元的平均性質(zhì)，為方便地求解電磁場(chǎng)每一點(diǎn)的性質(zhì)，實(shí)際中常使用麥克斯韋方程組的微分形式。是電荷分布的體密度，j是傳導(dǎo)電流密度，揭示了電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)相互激勵(lì)的性質(zhì)微分形式與積分形式之間可由Stokes公式和Gaussian公式推導(dǎo)連接。麥克斯韋方程組中共出現(xiàn)兩個(gè)電場(chǎng)量E、D和兩個(gè)磁場(chǎng)量B、H在均勻、各向同性、線性介質(zhì)中，有以下關(guān)系成立：麥克斯韋方程組與物質(zhì)方程結(jié)合，構(gòu)成一組完整的反映電磁場(chǎng)普遍規(guī)律的方程組。為介質(zhì)的介電系數(shù)為介質(zhì)的磁導(dǎo)率jc為傳導(dǎo)電流密度，為電導(dǎo)率以上三式合稱為物質(zhì)方程。三、物質(zhì)方程 用麥克斯韋電磁理論的基本概念，可以將電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互關(guān)系表述為：空間某區(qū)域內(nèi)有變化的電場(chǎng)，則在臨近的區(qū)域內(nèi)引起變化的磁場(chǎng)；這個(gè)變化的磁場(chǎng)又在較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)引起新的變化的電場(chǎng)，并在更遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)引起新的變化的磁場(chǎng)。這個(gè)過(guò)程持續(xù)地繼續(xù)下去，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，構(gòu)成統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。在這種交替產(chǎn)生過(guò)程中，電磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)、以有限的速度在空間內(nèi)傳播，形成電磁波?！?－2電磁場(chǎng)的波動(dòng)性一、電磁場(chǎng)的傳播由麥克斯韋方程組可導(dǎo)出關(guān)于電場(chǎng)基本量E和磁場(chǎng)基本量B的兩個(gè)偏微分方程，從而證明電磁場(chǎng)的波動(dòng)性。為簡(jiǎn)化討論，假設(shè)所討論的空間為無(wú)限大且充滿各向同性的均勻透明介質(zhì)，故、均為常數(shù)；又設(shè)討論的區(qū)域遠(yuǎn)離輻射源，因此=0，j=0。二、電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程麥克斯韋方程組簡(jiǎn)化為：?。?）的旋度：將（4）式代入上式右側(cè)：由場(chǎng)論公式，上式左側(cè)可變?yōu)椋和瑯涌梢缘玫疥P(guān)于B的方程兩方程變?yōu)檫@兩個(gè)偏微分方程稱波動(dòng)方程，它們的解為各種波動(dòng)，這表明電場(chǎng)和磁場(chǎng)是以波動(dòng)的形式在空間傳播的，傳播速度為v

。對(duì)于非均勻介質(zhì)，、隨空間坐標(biāo)變化，波動(dòng)方程變得很復(fù)雜，經(jīng)過(guò)一定簡(jiǎn)化后，可以寫成1、電磁波的速度

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，關(guān)系式為：2、電磁波譜電磁波包含許多波長(zhǎng)成分，除了我們熟知的無(wú)線電波和光波以外，還包括X射線、射線等。按照波長(zhǎng)或頻率的順序把這些電磁波排列成，稱為電磁波譜，如下圖所示。當(dāng)電磁波在真空中傳播時(shí)，速度為c三、電磁波20Theelectromagneticspectrum3、介質(zhì)的絕對(duì)折射率

電磁波在真空中的速度與在介質(zhì)中的速度不等。為了描述不同介質(zhì)中電磁波傳播特性的差異，定義了介質(zhì)的絕對(duì)折射率：代入c、v各自的表達(dá)式，有根據(jù)波動(dòng)的兩個(gè)偏微分方程，結(jié)合邊界條件、初始條件，得出其中的平面波解——平面波的波函數(shù)?！?-3平面電磁波所謂平面波，是指電場(chǎng)和磁場(chǎng)在垂直于傳播方向的平面內(nèi)各點(diǎn)具有相同值的波。設(shè)平面波沿三維坐標(biāo)系的Z軸正向傳播，如下圖所示。產(chǎn)生平面波的電磁場(chǎng)波動(dòng)方程簡(jiǎn)化為：一

、

沿某一坐標(biāo)軸方向傳播的平面波

對(duì)（1）式代換變量，得：因此（1）式化簡(jiǎn)為：23引入中間變量對(duì)方程化簡(jiǎn)，令：24（3）、（4）式是平面簡(jiǎn)諧波的波函數(shù)，即認(rèn)定研究的電磁波為平面簡(jiǎn)諧波。位相是時(shí)間和空間坐標(biāo)的函數(shù)，表示平面波在不同時(shí)刻空間各點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)。二、平面簡(jiǎn)諧波1、波函數(shù)中各因子的意義定義某一時(shí)刻位相相同的各點(diǎn)所形成的包絡(luò)面為波面。分析位相因子可知：在任意時(shí)刻t，位相相同的各點(diǎn)必有同一z值，即各點(diǎn)位于同一垂直于z軸的平面內(nèi)，波面為一平面，故（3）、（4）式所表示的波為平面簡(jiǎn)諧波。2、波函數(shù)的多種表達(dá)形式（1）27（2）一般情況下，平面電磁波可沿空間任意方向傳播，一般情況下的波函數(shù)如下圖所示：電磁波沿空間某一方向傳播，在t時(shí)刻波面為∑，波面上任意一點(diǎn)P到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為r，電磁波的波函數(shù)為：在物理光學(xué)的研究中，主要關(guān)注的是光的能量。而實(shí)驗(yàn)和理論分析證明：對(duì)光能量起決定作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度E。所以將E

的表達(dá)式稱為光波的波函數(shù)。波的傳播速度隨介質(zhì)而異，真空中波長(zhǎng)0與折射率為n的介質(zhì)中的波長(zhǎng)的關(guān)系是：（3）復(fù)數(shù)形式的波函數(shù)為了運(yùn)算方便，波函數(shù)常寫成如下的復(fù)數(shù)形式用復(fù)數(shù)表達(dá)式，可免去復(fù)雜的三角函數(shù)運(yùn)算。例如：在光學(xué)問(wèn)題中，常常要求振幅A的平方值，因?yàn)楣獠ǖ哪芰浚ü鈴?qiáng)度I）與A2成正比。要求A2，只需將復(fù)數(shù)E乘上其共軛復(fù)數(shù)E*：也可將復(fù)數(shù)波函數(shù)中的空間位相因子和時(shí)間位相因子分開寫為：將其中的振幅和空間相位因子叫做復(fù)振幅在許多情況下，如果不需要考慮光波隨時(shí)間的變化，可以用復(fù)振幅來(lái)表示光波，使計(jì)算簡(jiǎn)化。平面電磁波的性質(zhì)（1）電磁波是橫波證明：（2）E和H互相垂直綜合以上所述三點(diǎn)，得到如下頁(yè)所示的電磁波傳播示意圖。球面波

如果在真空中或各向同性的均勻介質(zhì)中的O點(diǎn)放一個(gè)點(diǎn)光源，容易想象，從O點(diǎn)發(fā)出的光波將以相同的速度向各個(gè)方向傳播，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間以后，電磁振動(dòng)所到達(dá)的各點(diǎn)將構(gòu)成一個(gè)以O(shè)點(diǎn)為中心的球面，如圖所示。這時(shí)的波陣面是球面，這種波就稱為球面波。OR光線波面§1-4球面波和柱面波設(shè)圖中的球面波為單色光波。由于球面波波面上各點(diǎn)的位相相同，因此只需研究從O點(diǎn)發(fā)出的任一方向上各點(diǎn)的電磁場(chǎng)變化規(guī)律，即可知道整個(gè)空間的情況。

取沿OR方向傳播的光波為對(duì)象。設(shè)O點(diǎn)的初相為0，則距O點(diǎn)為r的某點(diǎn)P的位相為：球面波的振幅Ar是隨距離r變化的。設(shè)距O點(diǎn)為單位距離的O1點(diǎn)和距O點(diǎn)為r的P點(diǎn)的光強(qiáng)分別為I1和Ir，則：由波函數(shù)可看出：球面波的振幅與離開波源的距離成反比。實(shí)際中，當(dāng)考察的空間離球面波的波源很遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)一個(gè)較小范圍內(nèi)的球面波波面，可近似作平面處理，即認(rèn)為是平面波。柱面波是一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的線光源發(fā)出的光波，它的波面具有柱面的形狀，柱面波的波函數(shù)為二、柱面波第二講2013.09.17高等光學(xué)光學(xué)工程碩士研究生課程一、一般介質(zhì)中電磁場(chǎng)滿足的方程電磁場(chǎng)矢量理論的復(fù)雜性表現(xiàn)在各分量通過(guò)非均勻介質(zhì)相互耦合§1-5不同光學(xué)特性介質(zhì)中矢量波動(dòng)方程的表達(dá)形式相應(yīng)的波動(dòng)方程為：二、均勻各向同性介質(zhì)中

(r)

、(r)隨空間坐標(biāo)變化，波動(dòng)方程為：前提條件：

在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，場(chǎng)中兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的、隨空間坐標(biāo)的變化率小于1。三、非均勻各向同性介質(zhì)中四、矢量波動(dòng)方程轉(zhuǎn)到標(biāo)量波動(dòng)方程的前提條件或則五、球面波解的另一種解法哈密頓算子在球坐標(biāo)系下的表達(dá)式：

由球面波的球?qū)ΨQ性，即得：通解為：思考：按以上方法，如何由波動(dòng)方程求柱面波解？六、關(guān)于諧波一般諧波的數(shù)學(xué)表達(dá)式：諧波：任意一空間點(diǎn)，場(chǎng)的大小隨時(shí)間變量按余弦形式周期變化；任意一時(shí)刻，場(chǎng)的分布隨空間變量不一定按余弦形式周期變化，即空間不一定表現(xiàn)出周期性（且稱為空間非諧波）。七、關(guān)于相速度等相面?zhèn)鞑サ乃俣龋旱认嗝妫何幌嘞嗟鹊狞c(diǎn)的軌跡八、亥姆霍茲方程簡(jiǎn)諧波注意：亥姆霍茲方程的適用條件！一、高斯光束的由來(lái)§1-6波動(dòng)方程的高斯光束基模解——近軸解e.g.凹面反射鏡構(gòu)成的激光諧振腔輸出的相干電磁輻射二、波動(dòng)方程的近軸解將場(chǎng)分布代入至HelmholtzEquation中得：設(shè)場(chǎng)處于均勻介質(zhì)中，沿著z軸傳播（且場(chǎng)的大小隨z軸的變化緩慢），

該場(chǎng)的復(fù)振幅分布具有以下形式：代入至上式中得：場(chǎng)的大小隨z軸的變化緩慢，即場(chǎng)大小關(guān)于z的二階導(dǎo)數(shù)近乎為0，因此上式簡(jiǎn)化為：構(gòu)造一試探解，形式為：，代入至以上方程得：上式對(duì)任意r均成立，r的不同冪的系數(shù)必須為0，因此有：其中設(shè)：高斯光束基模解為：三、基模高斯光束參量的意義及光束特性振幅分布為：特點(diǎn)：在垂直光軸平面內(nèi)振幅/光強(qiáng)按高斯函數(shù)形式分布1、振幅/光強(qiáng)分布三、基模高斯光束參量的意義及光束特性2、光斑半徑和束腰半徑W(z)——光斑半徑：三、基模高斯光束參量的意義及光束特性3、曲率半徑、共焦參數(shù)曲率半徑——共焦參數(shù)（瑞利范圍，Rayleighrange）——三、基模高斯光束參量的意義及光束特性4、在z=0平面上光束特性此時(shí)：位相：即：波陣面為平面復(fù)振幅分布：光腰附近光束波陣面為平面波，z足夠大時(shí)光束波陣面趨于球面波。該特點(diǎn)是否有悖于惠更斯-菲涅爾定理？三、基模高斯光束參量的意義及光束特性5、光束的發(fā)散度在遠(yuǎn)處，86.5%的光束能量都在光束發(fā)散角的范圍內(nèi)。光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角：§1-7波包和群速度一、頻率相近的兩個(gè)單色平面波組成的波包及其群速度該等幅平面波的傳播速度：此即兩個(gè)波合成后所得波包的前進(jìn)速度——群速度二、一維波群一維（沿z方向傳播）波群——單色平面波的迭加，即：假設(shè)振幅A(ω)只在以平均頻率為中心的很窄的頻率范圍Δω內(nèi)顯著不為0，即：則有：其中：為變幅平面波。取展開式的前兩項(xiàng)，得：Ae

是一維波群的包絡(luò)線函數(shù)在

面上

Ae是一個(gè)常量，此面的傳播速度代表能量傳播的速度，即群速度：群速度與相速度的關(guān)系：由

得：

正常色散：群速度小于相速度反常色散：群速度大于相速度，超過(guò)光速？反常色散區(qū)必定存在強(qiáng)烈的吸收，當(dāng)組成波群的大部分傅里葉分量的頻率落在這一區(qū)域時(shí)不可能傳很遠(yuǎn)。群速度計(jì)算的結(jié)果超過(guò)光速不再具有物理上的意義。三、群速度色散和脈沖展寬效應(yīng)

研究高斯型分布的窄帶脈沖在介質(zhì)中傳播時(shí)包絡(luò)形狀的變化=

光脈沖強(qiáng)度的寬度:取k(ω)的泰勒展開式的前三項(xiàng)，得：包絡(luò)線的函數(shù)為：其中：=

將代入上式，得：z處的脈沖寬度:當(dāng)存在著群速度色散，即：脈寬由z=0時(shí)的展寬到無(wú)論群速度隨頻率變化而增大或減小，脈沖都將展寬。第三講2012.10.08高等光學(xué)光學(xué)工程碩士研究生課程一、偏振態(tài)的定義及其物理圖像二、Jone’s矢量表示法三、斯托克斯參量表示法和邦加球表示法§1-8矢量光波的偏振態(tài)及其表征一、偏振態(tài)的定義及其物理圖像光波是橫波

————在垂直光波傳播的方向（即的方向）的平面內(nèi)，的振動(dòng)方向可能多種多樣。根據(jù)矢量末端描繪的軌跡特點(diǎn)定義矢量光波的偏振態(tài)。根據(jù)軌跡的特點(diǎn)，光波的偏振態(tài)分為三類五種：

完全偏振非偏振：電場(chǎng)矢量末端在垂直光傳播方向的平面內(nèi)投影點(diǎn)合振幅相等（如自然光）部分偏振：電場(chǎng)矢量末端在垂直光傳播方向的平面內(nèi)投影點(diǎn)在兩個(gè)正交方向上合振 幅不等完全偏振光的物理圖像部分偏振光的物理圖像1、簡(jiǎn)諧平面波電矢量分量的表示二、Jone’s矢量表示法分析對(duì)象：波矢量沿正方向的簡(jiǎn)諧平面波，電場(chǎng)矢量 分解到x、y方向，

分量表示為：2、電場(chǎng)矢量末端的軌跡方程橢圓偏向角橢圓度3、平面波偏振態(tài)的Jone’s矢量表示法電場(chǎng)分量的復(fù)數(shù)表達(dá)式：Jone’s矢量：一般地，Jone’s矢量的形式為：歸一化Jone’s矢量：令：→：與x軸正向所夾的角4、Jone’s矢量空間的基矢任意一偏振光可以分解

為一組基矢的線性組合:兩對(duì)基矢：兩對(duì)基矢之間的關(guān)系：兩對(duì)基矢之間的變換矩陣：線偏振光=兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的圓偏振光的迭加

圓偏振光=等振幅、位相差π/2的沿x、y方向振動(dòng)的線偏振光的迭加5、線性光學(xué)器件Jone’s矩陣入射光→→出射光線性光學(xué)器件即：Jone’s矩陣：級(jí)聯(lián)線性光學(xué)器件的Jone’s矩陣：J1J2J3Jn→…→→→6、Jone’s矩陣的本征矢，沿這兩個(gè)方向通過(guò)時(shí)，光的偏振狀態(tài)不變，僅振幅按本征值變化Q：本征矢與前面提到的基矢有何異同？三、斯托克斯參量表示法和邦加球表示法1、單色光波偏振態(tài)的Stokes參量→→其中：2、單色光波偏振態(tài)的邦加球表示§1-9準(zhǔn)單色光的偏振特性及其表征一、準(zhǔn)單色光偏振狀態(tài)表示的瓊斯矢量表示二、準(zhǔn)單色平面波的相干矩陣

三、準(zhǔn)單色光波偏振度的表示四、準(zhǔn)單色光的斯托克斯參量及其對(duì)部分偏振光的描述五、線性光學(xué)元件的密勒矩陣一、準(zhǔn)單色光偏振狀態(tài)表示的瓊斯矢量表示準(zhǔn)單色光Jone’s矢量：()()二、準(zhǔn)單色平面波的相干矩陣

保留單色平面波中與時(shí)間有關(guān)的因子，直角系下其分量可表示為：1、相干矩陣的定義且2、相干矩陣矩陣元的測(cè)量方法→和三、準(zhǔn)單色光波偏振度的表示定義：其中四、準(zhǔn)單色光的斯托克斯參量及其對(duì)部分偏振光的描述1、準(zhǔn)單色光的斯托克斯參量定義2、斯托克斯參量和相干矩陣元之間的變換關(guān)系3、準(zhǔn)單色光的斯托克斯參量的測(cè)量對(duì)于偏振光對(duì)于部分偏振光部分偏振光=自然光+偏振光4、部分偏振光的斯托克斯矩陣（1）當(dāng)P=0，在邦加球球心(原點(diǎn))處，表示非偏振態(tài)。（2）當(dāng)P=1，在邦加球球面上的點(diǎn)表示全偏振態(tài)。

（3）當(dāng)0<P<1，除原點(diǎn)外，邦加球內(nèi)的任意點(diǎn)代表部分偏振態(tài)。（4）當(dāng)P>1，沒(méi)有物理意義。5、部分偏振光在邦加球上的表示五、線性光學(xué)元件的密勒矩陣入射光→→出射光線性光學(xué)器件→→§1-10兩種電介質(zhì)的界面上光波的反射和折射一、反射定律和折射定律二、菲涅耳公式三、全反射和倏逝波四、全反射條件下反射光的相移五、全反射條件下透射光波場(chǎng)的玻印廷矢量六、古斯—漢欣(Goos-Hanchen)位移一、反射定律和折射定律電磁波入射到介質(zhì)界面時(shí)，發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，利用電磁場(chǎng)邊值關(guān)系分析反射和折射的規(guī)律。kikrkti、r、t分別代表入射、反射和透射光據(jù)邊界條件：得：要求指數(shù)項(xiàng)在平面相等，則選取界面z=0時(shí)，有：入射、反射、折射在同一個(gè)平面。有：且：→Snell定律（角度關(guān)系）二、菲涅耳公式光波的電矢量E分解為兩個(gè)分量，一種是振動(dòng)在入射面內(nèi)的分量，即平行分量，簡(jiǎn)稱為p分量，下標(biāo)以//來(lái)標(biāo)記；另一種是振動(dòng)垂直于入射面的分量，即垂直分量，簡(jiǎn)稱為s分量，下標(biāo)以來(lái)標(biāo)記。在反射和折射過(guò)程中這兩個(gè)分量是相互垂直、互相獨(dú)立的，因此可分別討論垂直和平行分量，分析反射和折射的情況。EEE//入射光電矢量的分解入、反、透/折射振幅之間的關(guān)系1、E垂直于入射面分量（s波）2、E平行于入射面分量（p波）即：反/透射系數(shù)：3、rs、rp、ts、tp與入射角關(guān)系（2）透射光中，p分量振幅絕對(duì)值卻總是大于或等于s分量振幅絕對(duì)值。（1）反射光中，s分量振幅絕對(duì)值總是大于或等于p分量振幅絕對(duì)值；自然光部分偏振光圓偏振光橢圓偏振光線偏振光線偏振光(n1=1,n2=1.5)(n1=1.5,n2=1)tptsrprstptsrprs布儒斯特角：由折射率公式，得到布儒斯特角：意義：如果光在這個(gè)角度下入射，則反射光的電矢量沒(méi)有入射面上的分量（即p分量）。4、反、折射相位的變化103對(duì)于s分量半波損失：反射過(guò)程中振幅矢量的相位不連續(xù)，存在大小等于π的相位突變，或半個(gè)波長(zhǎng)的光程損失。

光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)的反射:s分量在透射過(guò)程沒(méi)有半波損失p分量在透射過(guò)程沒(méi)有半波損失s分量在反射過(guò)程中出現(xiàn)半波損失p分量在反射過(guò)程的相位變化一般較為復(fù)雜與及與相位相同與相位相反a）掠入射時(shí)：b）垂直入射時(shí)：對(duì)于p分量表明此時(shí)與相位相反，反射過(guò)程存在半波損失；仍然有，但與的瞬時(shí)方向剛好相反。因此，振幅系數(shù)大于0，表明此時(shí)p分量的與相位相反，即反射過(guò)程同樣存在半波損失。5、反射率和透射率三、全反射和倏逝波透射波的電矢量可表示為：E(t)振幅大小隨z增大按指數(shù)衰減。振幅為z=0界面處振幅的1/e時(shí)，距離z定義為穿透深度。當(dāng)n1=1.5，c=50時(shí)，z0～0.3，全反射時(shí)電場(chǎng)穿透深度為波長(zhǎng)量級(jí)。四、全反射條件下反射光的相移相移為：或?yàn)椋何?、全反射條件下透射光波場(chǎng)的玻印廷矢量代入計(jì)算得：六、古斯—漢欣(Goos-Hanchen)位移全反射應(yīng)用例——全內(nèi)反射熒光顯微鏡TotalInternalReflectionFluorescenceMicroscopy第四講2012.10.15高等光學(xué)光學(xué)工程碩士研究生課程§1-11光波在金屬中的傳播一、金屬中的Maxswell方程二、單色平面波在介質(zhì)-金屬界面上的折射三、線偏振光在介質(zhì)-金屬界面上反射行為研究二、單色平面波在介質(zhì)-金屬界面上的折射二、單色平面波在介質(zhì)-金屬界面上的折射一、金屬中的Maxswell方程

1、金屬中的波動(dòng)方程由得自由電荷只能存在于靠近金屬表面其厚度遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)的薄層得由此得到波動(dòng)方程

2、復(fù)介電常數(shù)、復(fù)波數(shù)、復(fù)相速度和復(fù)折射率其中大多數(shù)金屬在光譜紅外區(qū)頻率范圍內(nèi)對(duì)于可見光及更短的波長(zhǎng)不正確二、單色平面波在介質(zhì)-金屬界面上的折射用金屬導(dǎo)體中的折射光波為當(dāng)透射光波矢在xoz平面中，折射進(jìn)金屬導(dǎo)體中的光波與空間有關(guān)的相位因子為其中等幅面方程等相面方程一般情況下，進(jìn)入金屬中的折射波的等幅面和等相面不相重合——折射入金屬中的光波是一種不均勻波當(dāng)光正入射至電介質(zhì)—金屬界面上時(shí)均勻平面波當(dāng)入射光的波長(zhǎng)λ較大時(shí)金屬的穿透深度在波長(zhǎng)λ限度以下1~2個(gè)量級(jí)三、線偏振光在介質(zhì)-金屬界面上的反射1、線偏振光在電介質(zhì)—金屬界面上反射后偏振態(tài)的變化(1)光正入射至金屬表面(2)光在金屬表面掠入射(3)一般情況反射光是一個(gè)圓偏振光。主入射角：對(duì)應(yīng)反射光兩分量間位相差為π/2的入射角其中反射光偏振狀態(tài)的變化特征——“類起偏角”2、金屬的光學(xué)常數(shù)及其測(cè)量方法起偏器補(bǔ)償器檢偏器∕起偏器補(bǔ)償器檢偏器起偏器補(bǔ)償器檢偏器3、金屬的強(qiáng)度反射率當(dāng)光由空氣正入射至金屬表面：第二章干涉理論基礎(chǔ)和干涉儀§2-1時(shí)間相干性一、等幅光振動(dòng)的頻譜二、時(shí)間相干性概念一、等幅光振動(dòng)的頻譜(a)單色光波(b)準(zhǔn)單色波二、時(shí)間相干性概念對(duì)于空間中的某一固定點(diǎn)，通過(guò)它的兩個(gè)光波列的相關(guān)程度，即它們通過(guò)這一點(diǎn)時(shí)最長(zhǎng)能有多長(zhǎng)時(shí)間是相干的，與光源的相干性質(zhì)有關(guān)，這一相干性質(zhì)也就是光源的時(shí)間相干性。兩列光波經(jīng)過(guò)該點(diǎn)時(shí)最長(zhǎng)的重疊時(shí)間即相干時(shí)間τ、兩列光波最大的重疊長(zhǎng)度即相干長(zhǎng)度L、光源的光譜寬度Δν都取決于光源中發(fā)光原子發(fā)出波列時(shí)一次持續(xù)的時(shí)間。通過(guò)上述固定點(diǎn)相疊加的兩個(gè)光擾動(dòng)，干涉的效果從時(shí)間上來(lái)說(shuō)取決于來(lái)自同一波列上兩個(gè)不同時(shí)刻由光源產(chǎn)生的擾動(dòng)之間的相關(guān)性；從空間上來(lái)說(shuō)取決于同一波列上兩個(gè)不同位置光振動(dòng)的相位關(guān)聯(lián)，即光波場(chǎng)在縱方向上兩點(diǎn)的相位關(guān)聯(lián)，也就反應(yīng)了光波場(chǎng)在時(shí)間上的相關(guān)特性?！?-2單色光波的干涉一、一般單色光波的干涉二、單色平面波的干涉三、單色球面波的干涉一、一般單色光波的干涉1、雙光束干涉的光強(qiáng)分布偏振方向相同的兩列單色光波兩光束的合成光振動(dòng)為2、干涉條紋的可見度函數(shù)二、單色平面波的干涉1、三維平面波的干涉其中z=z0平面上二維干涉條紋分布的極大值位置由下式確定；表示的是二維平面上一組等間距的直線方程條紋間距2、駐波介質(zhì)1中任一點(diǎn)的總電場(chǎng)強(qiáng)度等于該點(diǎn)入射波和反射波的電場(chǎng)強(qiáng)度之和，即H的分量為各代表一個(gè)沿x方向傳播的波，傳播速度為光垂直入射至反射面時(shí)，（a）電矢量和磁矢量的振幅是z的周期函數(shù)（b）磁場(chǎng)的波節(jié)和電場(chǎng)的波腹所在位置重合，磁場(chǎng)的波腹和電場(chǎng)的波節(jié)所在位置重合（c）在反射面處（z=0）電場(chǎng)是波節(jié)而磁場(chǎng)是波腹電場(chǎng)的波節(jié)位置在波腹位置在維納（O.Wiener）實(shí)驗(yàn)證明：（1）光駐波的存在（2）乳膠感光最強(qiáng)的部分位置對(duì)應(yīng)的是電場(chǎng)波腹所在的位置，而不是磁場(chǎng)波腹的位置（3）乳膠感光的這種光化學(xué)作用直接與電矢量有關(guān)，與磁矢量無(wú)關(guān)三、單色球面波的干涉該方程表示的三維曲面為一旋轉(zhuǎn)雙曲面族坐標(biāo)原點(diǎn)附近垂直于z軸的觀察屏，第五講2012.10.22高等光學(xué)光學(xué)工程碩士研究生課程§2-3準(zhǔn)單色光波的干涉一、光譜分布為矩形函數(shù)的準(zhǔn)單色光的干涉二、具有一般線型光譜分布的準(zhǔn)單色光的干涉一、光譜分布為矩形函數(shù)的準(zhǔn)單色光的干涉此光源光譜分布模型為：光源中以

為中心，譜寬為的光強(qiáng)度為的兩束光相干涉，干涉光強(qiáng)分布為光源中所有頻率成份的光產(chǎn)生的總干涉光強(qiáng)度為：可見度函數(shù)為：when二、具有一般線型光譜分布的準(zhǔn)單色光的干涉光譜分布的譜密度函數(shù)為，總光強(qiáng)分布=準(zhǔn)單色光源中各單色成份產(chǎn)生的強(qiáng)度分布的迭加，即：對(duì)中心頻率為

的準(zhǔn)單色光，總的光強(qiáng)分布為：其中：條紋的可見度函數(shù)為：Examples光譜分布為一矩形函數(shù)光譜分布為高斯函數(shù)光譜高斯分布等強(qiáng)度雙線光源光譜高斯分布不等強(qiáng)度雙線光源光譜分布對(duì)稱時(shí)，條紋的可見度為：光譜分布對(duì)稱時(shí)，條紋的可見度為：光譜分布可通過(guò)Fourier反演方法獲得借助雙光束干涉分析光譜線結(jié)構(gòu)的方法條紋位置已知，即已知，由得到之間關(guān)系又有條紋可見度V已知，由得到C/S和P之間關(guān)系再由Fourier反演方法得到光譜分布見文獻(xiàn)E.Wolf，Proc.Phys.Soc.,80(1962)，pp.1269§2-4多色光的干涉波列中每個(gè)單色成分各形成一個(gè)相應(yīng)的干涉圖樣，這些干涉圖樣按強(qiáng)度迭加形成多色光的干涉圖，即：非相干強(qiáng)度迭加。觀測(cè)時(shí)間2T內(nèi)所包含的全部光振動(dòng)為觀測(cè)時(shí)間2T內(nèi)所包含的平均光強(qiáng)為§2-5空間相干性二、擴(kuò)展光源強(qiáng)度均勻分布的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)三、擴(kuò)展光源強(qiáng)度非均勻分布的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)一、空間相干性概念一、空間相干性概念空間相干性：兩個(gè)空間點(diǎn)光振動(dòng)的相關(guān)程度，反映了任一時(shí)刻來(lái)自空間中這兩點(diǎn)光振動(dòng)的相位的聯(lián)系是否固定，相位聯(lián)系固定是形成穩(wěn)定的干涉圖樣的必要條件。產(chǎn)生原因：

光源的有限大小引起，因而稱為光源或光源產(chǎn)生的光波場(chǎng)的空間相干性。二、擴(kuò)展光源強(qiáng)度均勻分布的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)所述擴(kuò)展光源特點(diǎn)：具有空間尺寸，波長(zhǎng)單一ooS1S2D2rpS011rpbS02S03S1S2D2rpl1rbS02S03XS1S2D2rpS011rpbS02S03S1S2D2rpl1rbS02S03X位置為：構(gòu)成擴(kuò)展光源的各元條帶形成的干涉條紋的中心位置相互錯(cuò)開，將使總干涉圖樣可見度下降總光強(qiáng)分布為：干涉條紋可見度大小為：光源極限寬度：第一次可見度降為零對(duì)應(yīng)的光源寬度（d、b參數(shù)一定）。雙孔/縫極限距離：第一次可見度降為零對(duì)應(yīng)的孔/縫間距（p、b參數(shù)一定）。光源允許寬度：可見度降為0.9對(duì)應(yīng)的光源寬度，此時(shí)相干面積（人為定義）：相干孔徑角d0bDpd0bDpb012相干孔徑角在θ0范圍內(nèi)的光場(chǎng)中，正對(duì)光源的平面上的任意兩點(diǎn)的光振動(dòng)是相干的。0越大空間相干性越好。光源孔徑角bDpd0光源孔徑角邁克耳孫星體干涉儀的結(jié)構(gòu)和光路BABA遙遠(yuǎn)的星體遙遠(yuǎn)的星體AABBM1M4M2M3S’2S’1S2S1fdd’§2-6干涉條紋的定域一、非定域條紋二、光源線度擴(kuò)展對(duì)干涉條紋可見度的影響三、擴(kuò)展光源在平面劈上方產(chǎn)生的定域條紋的位置四、光源允許角半徑的考慮一、非定域條紋定義：

當(dāng)空間中存在的干涉條紋不局限于某一個(gè)面上，而存在于一個(gè)大空間范圍中時(shí)，此干涉條紋即具有非定域特性?？偞嬖趤?lái)自S點(diǎn)光源的兩根光線，使得SAP和SBCDP在P點(diǎn)能夠相干。單色點(diǎn)光源任意一點(diǎn)一個(gè)單色點(diǎn)光源所產(chǎn)生的干涉條紋總是非定域的。點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的雙光束干涉圖示位相差的大小與P點(diǎn)的位置有關(guān)，對(duì)確定的點(diǎn)P，由上式可得到一個(gè)相應(yīng)的

，在B1B2

右側(cè)有來(lái)自S的兩束光的公共區(qū)域內(nèi)任何地方都能形成干涉條紋，它們是

為常數(shù)的點(diǎn)的軌跡，這種非定域條紋的可見度，僅僅取決于相干涉的兩個(gè)波的相對(duì)強(qiáng)度。二、光源線度擴(kuò)展對(duì)干涉條紋可見度的影響擴(kuò)展光源的雙光束干涉圖示由S’點(diǎn)發(fā)出的兩束光經(jīng)系統(tǒng)后到達(dá)P點(diǎn)的位相差為：S點(diǎn)和P點(diǎn)互為“共軛點(diǎn)”有：此位相偏離反映了S和S‘各自在P點(diǎn)附近形成的干涉圖樣錯(cuò)位情況。S’(x,y,z)C1()C2()C1S’-R1C2S’-R2(a)x=0時(shí),光源在YSZ平面內(nèi)擴(kuò)展，光束重疊區(qū)處處有干涉條紋出現(xiàn)，干涉條紋非定域；(b)，光源線度在垂直于YSZ平面方向有所擴(kuò)展，即S’點(diǎn)x坐標(biāo)不等于0：i）如果βx較小，滿足x≤λ0/4nβ的關(guān)系，則δ–δ0≤π/

2，條紋依然可以分辨，認(rèn)為此條紋仍非定域。ii）如果x＞＞λ0/4nβ，則條紋難以分辨，沒(méi)有非定域條紋。(c)當(dāng)β≠0及光源寬度過(guò)大時(shí)，雖無(wú)非定域條紋產(chǎn)生，但光源位置S確定后，總能在空間中找到一個(gè)P點(diǎn)，使得S點(diǎn)發(fā)出的一根光線經(jīng)不同路徑后能夠相交于P。pSpS三、擴(kuò)展光源在平面劈上方產(chǎn)生的定域條紋的位置O0，光線入射至尖劈/平行平面上，上下表面的反射光接近/相互平行，條紋定域于無(wú)窮遠(yuǎn)處四、光源允許角半徑的考慮由P點(diǎn)干涉條紋清晰的判據(jù)

即：光源允許的角半徑：光線接近正入射，n≈n’，得：即光源的孔徑角第三章光學(xué)薄膜§3-1單層介質(zhì)膜一、求特征矩陣的數(shù)學(xué)處理方法二、單層均勻介質(zhì)膜的特性研究建立界面I與界面II之間電磁場(chǎng)的傳輸關(guān)系又有：得：→二、單層均勻介質(zhì)膜的特性研究1、單層均勻介質(zhì)膜等效界面上的振幅反射率和透射率設(shè)討論的單層介質(zhì)膜均勻、非磁性單層介質(zhì)膜及其等效界面2、單層均勻介質(zhì)膜等效界面上的強(qiáng)度反射率和透射率等效界面上入射波、反射波和透射波能流密度矢量的時(shí)間平均值為：三個(gè)波的能流密度矢量沿z方向分量的時(shí)間平均值的大小為：?jiǎn)螌泳鶆蚪橘|(zhì)膜的強(qiáng)度反射率R和透射率T為：3、單層均勻介質(zhì)膜反射、透射特性的討論單層膜的振幅反射率和振幅透射率分別為：厚度上差整數(shù)倍的介質(zhì)膜，它們的反射率和透射率相同光垂直入射時(shí)有：光正入射至單層均勻介質(zhì)膜的特性（1）如果膜層厚度相差的整數(shù)倍，薄膜的反射率R一樣（2）當(dāng)薄膜的光學(xué)厚度nh為λ0/4的偶數(shù)倍即λ/2的整數(shù)倍時(shí)，薄膜層對(duì)光的反射毫無(wú)影響（3）當(dāng)薄膜的光學(xué)厚度nh為λ0/4的奇數(shù)倍，薄膜的反射率R有極大值或極小值a）極大值——單層增反膜：b）極小值——單層增透膜：§3-2周期性多層膜一、周期性多層膜的特征矩陣二、多層介質(zhì)高反射膜三、干涉濾光片四、增透膜一般情況下，如果p是所鍍介質(zhì)膜的層數(shù)，每層都有特定的n和h，則第一個(gè)界面和最后一個(gè)界面上的場(chǎng)量通過(guò)下式相聯(lián)系：一、周期性多層膜的特征矩陣周期數(shù)為N的多層膜總的特征矩陣為：周期多層膜的振幅反射率r和透射率t為：二、多層介質(zhì)高反射膜選取構(gòu)成周期膜單元的兩個(gè)基膜折射率分別為nL和nH，設(shè)nL<nH，其幾何厚度分別為hL和hH，習(xí)慣上稱為低折射率層和高折射率層，鍍制時(shí)保持使它們的光學(xué)厚度相同，即：光正入射下雙層基膜的特征矩陣為：以此雙層膜為基本周期構(gòu)成的總周期數(shù)為N，總膜層數(shù)為2N的多層膜的特征矩陣為：1、多層周期介質(zhì)高反膜的反射率R多層周期膜總的強(qiáng)度反射率為：2、當(dāng)膜層周期數(shù)N很大時(shí)，反射率R的近似表達(dá)式高反膜系從原理上來(lái)說(shuō)，由多層周期膜構(gòu)成的高反膜系是利用光的干涉效應(yīng)來(lái)增加反射率，因此R的數(shù)值是在一定的中心波長(zhǎng)條件下所取的值。對(duì)于λ/4多層高反膜來(lái)說(shuō)如果入射光波偏離中心波長(zhǎng)，則反射率要下降，偏離越多下降越厲害。這就是說(shuō)，它只在中心波長(zhǎng)的一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高反射率。三、干涉濾光片——法布里—珀羅型干涉濾光片（F-P型干涉濾光片）

1、F-P型干涉濾光片的工作原理兩種結(jié)構(gòu)：2、干涉濾光片的光學(xué)特性(1)中心波長(zhǎng)(2)透射帶的光譜寬度(3)峰值透射率四、增透膜對(duì)于垂直光學(xué)薄膜表面的入射光→等效法分析特征矩陣法分析§3-2金屬膜的理論（簡(jiǎn)略）金屬膜的特點(diǎn)：

膜對(duì)光波有吸收處理方法：

復(fù)介電常數(shù)/復(fù)折射率&Fresnel公式有吸收的介質(zhì)膜處理方法與金屬膜相同第六講2012.10.29高等光學(xué)光學(xué)工程碩士研究生課程第四章晶體光學(xué)基本知識(shí)§4-0晶體的雙折射一、雙折射現(xiàn)象二、雙折射現(xiàn)象的物理啟示三、雙折射的唯象解釋1669年，丹麥科學(xué)家巴瑟林（ErasmusBartholin)研究冰島水晶時(shí)發(fā)現(xiàn)了雙折射現(xiàn)象。一、雙折射現(xiàn)象荷蘭物理學(xué)家惠更斯(ChristiaanHuygens)從雙軸晶體的各向異性方面解釋光的雙折射現(xiàn)象。ABC二、雙折射現(xiàn)象的啟示1.光束A在入射至晶體前包含了兩種成分，兩種成分的差別體現(xiàn)在振動(dòng)方向。只有橫波才可能在確定的傳播方向上有不同的振動(dòng)方向，說(shuō)明光是橫波。

——發(fā)現(xiàn)雙折射現(xiàn)象的歷史意義之一。B、C光束有不同的振動(dòng)方向，即在振動(dòng)方向上具有偏向性，即被稱為“偏振光”，或“極化光”（polarizedlight），或具有不同的“偏振狀態(tài)”。說(shuō)明晶體的光學(xué)性質(zhì)（如折射率）與光振動(dòng)的方向有關(guān)，即表現(xiàn)出“光學(xué)各向異性”，被稱為“光學(xué)各向異性媒質(zhì)”。沿不同方向上對(duì)于振動(dòng)方向互相垂直的兩個(gè)線偏振光，在晶體中有著不同的傳播速度（或折射率），因而發(fā)生雙折射現(xiàn)象。折射率不同極化率不同介電常數(shù)不同三、雙折射的唯象解釋§4-1介電張量一、各向異性介質(zhì)的極化和介電張量二、晶體中介電張量的對(duì)稱性三、折射率橢球一、各向異性介質(zhì)的極化和介電張量1、各向異性介質(zhì)的極化外加電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)分子或原子里的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，或者由于外加電場(chǎng)的作用使總的分子電偶極矩具有一定的取向，使得介質(zhì)中出現(xiàn)了宏觀的電偶極矩，即介質(zhì)的極化，其分布用電極化強(qiáng)度矢量P描述。2、各向異性介質(zhì)中的物質(zhì)方程為介電張量電極化率張量3、各矢量關(guān)系xyEyPyPxExEP令為常量與無(wú)關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)二、晶體中介電張量的對(duì)稱性電磁場(chǎng)能量守恒定理+麥克斯韋方程由麥?zhǔn)戏匠糖蠖叩葍r(jià)由電能密度

求方法：具體：&證明：由麥?zhǔn)戏匠蹋豪霉剑河疫叺谝豁?xiàng)：代入又：比較得：上式說(shuō)明，介電張量一定是對(duì)稱張量，介電張量九個(gè)分量中只有六是獨(dú)立的，之所以對(duì)稱，在于電磁場(chǎng)能量守恒三、折射率橢球旋轉(zhuǎn)橢球面通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，使新直角坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸與橢球的三個(gè)對(duì)稱軸重合，可得新坐標(biāo)系下橢球面方程形式為：新坐標(biāo)系即主軸坐標(biāo)系，為主軸坐標(biāo)系下的主介電常數(shù)主軸坐標(biāo)系中有：則：令定義主折射率：則：折射率橢球xyz§4-2各向異性介質(zhì)中單色平面波的傳播一、晶體中電磁場(chǎng)的物理量之間的關(guān)系描述二、光在晶體中傳播的菲涅耳方程三、給定波矢用解析方法確定晶體中光線方向四、法線面和光線面一、晶體中電磁場(chǎng)的物理量之間的關(guān)系描述1、波法線方向k與各個(gè)場(chǎng)矢量E、D、H、B及S方向之間的關(guān)系則：即：即：B、HSkED能量不再沿波法線（即波矢量）方向傳播離散角2．晶體光學(xué)中的基本方程——波法線的菲涅耳方程由：晶體主軸上的分量為：——波法線的菲涅耳方程定義三個(gè)主傳播速度：菲涅耳方程等價(jià)形式3、晶體中的法線速度和光線速度電場(chǎng)能量磁場(chǎng)能量電、磁場(chǎng)能量相等總能量等于法線速度（或波法線速度，亦即相速度）光線速度（即能量傳播的速度）大小等于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于能流方向的面積除以單位體積的能量與光線速度相對(duì)應(yīng)，定義“光線折射率”或“能量折射率”為則：4、晶體中的群速度證明：各向異性介質(zhì)中波包傳播的群速度和光線速度(即能流速度)相等，即：構(gòu)成波包的每個(gè)平面波分量所滿足對(duì)以上兩式做全微分：由：由：由張量對(duì)稱性：二、光在晶體中傳播的菲涅耳方程1、波法線菲涅耳方程解的意義說(shuō)明：對(duì)于一個(gè)給定的波法線方向，可能有兩種不同折射率或不同相速度的光波在晶體中傳播。并且，一般情況下，兩個(gè)光波中的D矢量和E矢量不平行，這兩個(gè)光波有不同的光線方向，但都是線偏振光。2、給定光在晶體中的波矢方向用解析方法確定相應(yīng)的D和E的方向3、對(duì)偶規(guī)則對(duì)比可得：對(duì)偶規(guī)則——在各向異性介質(zhì)中，對(duì)于描述場(chǎng)量的基本方程，如果在其中一排的這些量中有某一關(guān)系式成立，那么，將這一關(guān)系式中的每一個(gè)量用另一排中相應(yīng)的量去代替，所獲得的新的關(guān)系式也成立。4、光線的菲涅耳方程對(duì)偶規(guī)則應(yīng)用于波法線的菲涅耳方程——光線的菲涅耳方程對(duì)每一個(gè)光線方向t，它也給出兩個(gè)可能的光線速度一般來(lái)說(shuō)，矢量t和k，只給出其一，t和k之間有一定的解析關(guān)系，知道一個(gè)可以直接推導(dǎo)出另一個(gè)光線的菲涅耳方程說(shuō)明：光線的菲涅耳方程等價(jià)方程為：三、給定波矢用解析方法確定晶體中光線方向第七講2012.11.05高等光學(xué)光學(xué)工程碩士研究生課程§4-3晶體宏觀光學(xué)性質(zhì)的幾何表示一、晶體分類以及晶體的光學(xué)示性面

二、折射率橢球三、折射率曲面（波矢面）四、法線面（相速度曲面）五、光線面一、晶體分類以及晶體的光學(xué)示性面

1、晶體分類按幾何結(jié)構(gòu)按晶體點(diǎn)陣所含高次旋轉(zhuǎn)（旋反）軸的數(shù)目分類，共分成3個(gè)晶族按對(duì)稱性種類及數(shù)量分類，共32個(gè)晶類（a）反演算符（b）n次旋轉(zhuǎn)算符

（c）n次旋反算符

（d）鏡像算符，把原點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)繞軸旋轉(zhuǎn)360度/n，得到一個(gè)新點(diǎn)陣，把原點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)在xyz坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x,y,z)都改變成(-x,-y,-z)，得到一個(gè)新點(diǎn)陣，對(duì)原點(diǎn)陣先作n次旋轉(zhuǎn)操作，繼而對(duì)旋轉(zhuǎn)軸上的一個(gè)反演中心C作反演操作，得到一個(gè)新點(diǎn)陣，把原點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到相對(duì)于一個(gè)平面的鏡像的位置處，得到新點(diǎn)陣2、晶體的光學(xué)示性面

用幾何圖形表示光在晶體中的傳播規(guī)律，直觀顯示出光波矢量在晶體中的特征及相互關(guān)系。1、定義：令：二、折射率橢球在主軸坐標(biāo)系中有：2、折射率橢球表示的意義（1）由橢球中心出發(fā)的每一個(gè)矢徑方向代表了光波D矢量的一個(gè)振動(dòng)

方向；（2）此矢徑的長(zhǎng)度代表了對(duì)應(yīng)于該矢徑方向偏振的D矢量方向的光波折射率，即D’→n’，D”→n”;（3）E矢量方向是在與相應(yīng)D矢量端點(diǎn)處的橢球法線的方向。xyzTzxT3、折射率橢球的性質(zhì)（1）給定一個(gè)波法線方向K，過(guò)橢球中心做垂直于K的垂面，截橢

球?yàn)橐粰E圓截面，該橢圓長(zhǎng)短軸的方向?qū)?yīng)于給定K所允許存在的兩個(gè)偏振光波的兩個(gè)偏振方向D’和D”，這兩個(gè)方向相互垂直；（2）該橢圓長(zhǎng)短軸的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)偏振方向光波折射率的大小。4、ExamplesA.單軸晶體討論：（1）旋轉(zhuǎn)橢球，z軸為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸——光軸；沿光軸入射的光波不產(chǎn)生雙折射；（2）光波垂直光軸入射，截交線為橢圓，對(duì)應(yīng)長(zhǎng)短軸分別為，表示沿此方向傳播的光只能有兩個(gè)偏振方向D’和D”，這兩個(gè)方向相互垂直；（3）光沿任意方向入射（與光軸成θ角）請(qǐng)?jiān)囎C明之B.雙軸晶體約定給定K，可按單軸晶體的方法確定晶體內(nèi)相應(yīng)的兩個(gè)偏振光振動(dòng)方向及對(duì)應(yīng)折射率討論：（1）第一類光軸C1和C2——波法線光軸（2）第一類光軸與z軸的夾角——光軸角（3）雙軸晶體中的光波均為非常光xzC1C25、其對(duì)偶示性面——光線折射率橢球zxTxyzT參照（波法線）折射率橢球定義，推導(dǎo)光線折射率橢球的表達(dá)式三、折射率曲面（波矢面）1、定義：由波法線菲涅爾方程：令：有：——四次曲面方程2、各類晶體折射率面（波矢面）的形式及特點(diǎn)A.高級(jí)晶族晶體四次曲面方程退化為：特點(diǎn)：光學(xué)各向同性B.中級(jí)晶族——單軸晶體特點(diǎn)：四次曲面方程退化為：說(shuō)明：

單軸晶體中沿任一方向傳播的兩個(gè)光波中總有一個(gè)波的折射率與K的方向無(wú)關(guān)，另一個(gè)與K的方向有關(guān)。正單軸晶體＜＞負(fù)單軸晶體C.低級(jí)晶族——雙軸晶體四次曲面為雙層曲面，三個(gè)主截面上的截交線方程分別為：yz截面：zx截面：xy截面：雙軸晶體折射率曲面（波矢面）3、晶體折射率面（波矢面）的性質(zhì)波矢面任一矢徑末端的法線方向即為與該矢徑所代表的波法線方向K相應(yīng)的光線方向S。證明：方向分析：應(yīng)用： 已知一個(gè)K方向，確定與之相應(yīng)的光線方向四、法線面（相速度曲面）1、定義：由波法線菲涅爾等價(jià)方程：令：有：——雙殼層六次曲面三個(gè)主截面上的交線：yz截面：zx截面：xy截面：圓四次卵形線2、意義同一個(gè)K對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同相速度的光波在晶體中傳播3、與折射率橢球面的區(qū)別（1）法線面為雙層曲面，折射率橢球是單層曲面；（2）兩個(gè)曲面均能表示出與波法線K相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)相速度

，但表示的方法不同的。折射率橢球是過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)并垂直于K的平面與折射率橢球截得的橢圓的兩條主半軸的長(zhǎng)度正比于相速度的倒數(shù)；而法線面是用同一K方向上的射線與法線面雙層曲面相交所得到的兩條矢徑的長(zhǎng)度直接為兩個(gè)相速度的大小。五、光線面1、定義：由光線的菲涅耳方程等價(jià)形式：令：有：——雙殼層六次曲面2、光線面的形式及特點(diǎn)雙殼層曲面第二類光軸3、光線面與法線面的關(guān)系法線面是光線面的垂足曲面證明：方向分析：應(yīng)用： 已知一個(gè)S（t0）方向，確定與之相應(yīng)的K方向§4-4晶體光學(xué)的幾何作圖法一、給定波法線K的方向，確定電位移矢量D二、給定光線速度方向t，確定電場(chǎng)強(qiáng)度的方向E三、由折射率橢球確定晶體的光軸四、給定波法線K及波法線光軸方向，求D的振動(dòng)方向五、已知k和D的方向，求E和t的方向一、給定波法線K的方向，確定電位移矢量DxyzT利用折射率橢球二、給定光線速度方向t，確定電場(chǎng)強(qiáng)度的方向ExyzT三、由折射率橢球確定晶體的光軸波法線橢球的半主軸長(zhǎng)度分別為nx，ny，nz過(guò)O點(diǎn)存在兩個(gè)特殊的平面，它們與橢球面的截線為圓，這兩個(gè)圓截面所對(duì)應(yīng)的法線所在的直線為晶體的光軸。O折射率橢球光軸圓切面光軸圓切面四、給定波法線K及波法線光軸方向，求D的振動(dòng)方向當(dāng)光波沿著光軸傳播時(shí)，只有一種速度，D可以取垂直于傳播方向的任意一個(gè)方向。當(dāng)光波沿著不是沿著光軸傳播時(shí)，其垂面是一個(gè)橢圓截面，與圓C1和C2相交于兩個(gè)徑向矢量r1和r2，顯然r1=r2，所求D的振動(dòng)方向是r1和r2二方向夾角的等分線。電位移矢量的振動(dòng)面，是平面(N1S)和平面(N2S)夾角的內(nèi)等分面或外等分面如果相應(yīng)于波法線方向k的一個(gè)電位移矢量D確定了，與該D平行的矢徑端點(diǎn)為B，則橢球在B點(diǎn)的法線方向平行于與該D矢量相應(yīng)的E矢量方向。過(guò)B點(diǎn)作橢圓的切線，然后過(guò)O點(diǎn)作切線的垂線就是電場(chǎng)E的方向，過(guò)O點(diǎn)作電場(chǎng)E的垂線就是S的方向五、已知k和D的方向，求E和t的方向證明：zBPO橢圓P是一個(gè)三維空間中的曲線，它位于波法線橢球面PBO上曲面上的法線n的方向?yàn)樘荻鹊姆较蚨鳧‘和E’不一定在橢圓P的主軸方向上第八講2012.11.12高等光學(xué)光學(xué)工程碩士研究生課程§4-5單色平面波在晶體表面上的反射和折射一、光波在晶體表面的反射與折射二、用惠更斯作圖法確定單軸晶體中折射光線的方向三、單軸晶體雙折射舉例四、單軸晶體中o光、e光性質(zhì)的解析分析一、光波在晶體表面的反射與折射1、反/折射光波波法線方向的確定普遍形式的反射和折射定律依然成立，即：r在晶體與入射介質(zhì)的界面內(nèi)任意選取入射介質(zhì)r在晶體與入射介質(zhì)的界面內(nèi)任意選取2、Snell定律二、用惠更斯作圖法確定單軸晶體中折射光線的方向利用光線面確定反射光、折射光方向的幾何作圖法。用以確定光線從界面折射入晶體后光線的傳播方向。

o光子波光線面光軸oBe光子波光線面A各向同性介質(zhì)正單軸晶體CDE具體做法：（1）做出晶體內(nèi)光線面在主截面（晶體光軸與界面法線組成的平面）上的交線；其中o光子光光線面與主截面的交線為圓，半徑為：

e光子光光線面與主截面的交線為橢圓，光軸與橢圓的長(zhǎng)軸（其長(zhǎng)度的一半為r）平行，與橢圓的短軸垂直，短軸長(zhǎng)度的一半為：（2）過(guò)B點(diǎn)做圓和橢圓的切線BC和BE（3）過(guò)O點(diǎn)做切線BC和BE的垂線，垂足分別為C、D（4）連接OC、OD、OE，它們分別代表了：。。。。。。注意：光程相等，即：（5）由晶