物理光学课件.ppt

1,课程要求,课堂笔记 平时作业 考试成绩 严肃纪律,2,电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的，一个是电场波，一个是磁场波。波动光学理论近似于电磁理论，它只说明了光是一个具有时间和位置的标量函数（波函数）。几何光学是在短波长范围的更进一步简化，因此，可以认为电磁光学包含了波动光学，而波动光学又包含了几何光学。量子光学的理论几乎可以解释所有光学现象，比电磁光学更具一般性。全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射、光子统计和激光线宽等问题。,3,在研究光与介质（一般为二能级的原子模型）的相互作用时，有如下几种处理方法：经典方法:麦克斯韦方程描述场+用经典电磁学方法处理原子与光场的相互作用。半经典方法：麦克斯韦方程描述场+量子力学方法处理原子与光场的相互作用。（如最常用的Maxwell-Blocth方程）。全量子方法：场进行量子化+原子在场中的行为也用量子力学方法处理（Janes-Cummings 模型）。,4,光学总论,光学史光学是人们对光进行研究和应用的科学。首先，它是一门古老的学科。早在4000年前的古埃及和约3000年前的中国，人们就有利用光学现象的先例。如铜镜、凹面镜取火（周礼考工记，周朝）等。到了公园前400年，我国出现了有关针孔成像（墨经，先秦。“景到（倒），在午有端，与景长，说在端。）、平面镜和球面镜（梦溪笔谈，宋朝）等早期光学实验记录。今天光学教科书的传统内容已十分丰富。,5,其次，它又是一门朝阳学科。自1960年激光问世以来，光学渗透到了各个领域，并出现了交叉分支。人们对光学的科学研究集中在光的本质、光的传播以及与物质的相互作用方面。对于光究竟是什么，直到17世纪才形成两种看法各异的观点微粒说和波动说。,6,微粒说的代表人物是笛卡尔（R.Descartes）和牛顿（I.Newton）。其认为发光物体都发射光微粒，这些微粒可在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动。微粒说可解释光的直线传播、光的反射现象，亦可勉强解释光的折射。但对实验中相继发现的大量光的干涉、衍射和偏振现象却无法解释。,7,波动说是有胡克（R.Hooke）和惠更斯（C.Huygens）提出的。其认为光是一种波动，光的传播不是微粒的运动，而是运动能量按波的形式迁移的过程。波动说能更简单地解释光的反射、折射现象。遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程，认为光是一种弹性波，因而必须臆想一种特殊的弹性介质（以太）充满空间，这种介质应密度极小和弹性模量极大。这些均无法实验验证。,8,加之当时出于牛顿在力学方面的巨大贡献，因此对波动说几乎无人相信。直到19世纪初，由于杨氏（T.Young）、菲涅尔（A.J.Fresnel）等一批科学家的不懈努力，令人信服地用波动说解释了光的干涉、衍射和偏振现象，波动理论的地位才被确立。,9,在光学发展过程中，曾出现过令物理学家大为困惑的，极力寻找和证实的物质以太(ether)。既然光是一种波，那么，它赖以传播的介质是什么？这个问题直到19世纪末随着洛伦兹（H.A.Lorentz）创立电子论及随后的场论，才使以太论最终抛弃。,10,至此，人们以为最终认识了光的本质。然而本世纪初，在解释黑体辐射、光电效应及康普顿散射等现象时，波动说却无能为力。1905年，爱因斯坦（A.Einstein）重新提出光的粒子性概念光子，从而解决了以上的问题。,11,光有粒子性和波动性双重性质波粒二相性，不同场合表现出的属性不同。60年代，由于激光的发明，使得人们在光通讯、全息术、非线性光学、光信息处理等方面能大显身手。,12,第十章 光的电磁理论基础,光的本质光的电磁理论的建立麦克斯韦（Maxwell）赫兹（Hertz）光在电磁波中的位置,13,The electromagnetic spectrum,14,第一节 光的电磁性质,高斯定理：安培定则：,：磁场强度,：电场强度,B:磁感强度,D:电感强度,H,E,一、麦克斯韦方程组（Maxwells equation）1、静电场和稳恒电流磁场的基本规律,15,2、麦克斯韦方程组的积分形式,高斯定理：法拉第定理：（涡旋定理）,后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。,16,3、麦克斯韦方程组的微分形式,微分形式：,（101）（102）（103）（104）,揭示了电流、电场、磁场相互激励的性质,17,二、物质方程（描述物质在场作用下特性的方程）,18,三、电磁场的波动性（波动方程）,点积为零，叉积与时间偏导成正比,(10-13)(10-14),19,20,四、平面电磁波及其性质,（一）波动方程的平面波解,1、方程求解：,设光波沿z轴正向传播,21,22,这是行波的表示式，表示源点的振动经过一定的时间推迟才传播到场点。,取正向传播：,2、解的意义：,23,（二）波动方程的平面简谐波解(Simple Harmonic Wave),位相是时间和空间坐标的函数，表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态。,24,波动公式：,（1025）（1026）,上式是一个具有单一频率、在时间和空间上无限延伸的波。,25,沿空间任一方向k传播的平面波,复振幅：只关心光波在空间的分布。,26,（三）平面电磁波的性质,1、横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播 方向。,2、E、B、k互成右手螺旋系。,3、E和B同相,27,28,29,五、球面波和柱面波,1、球面波：任意时刻波振面为球面的光波 公式 公式的意义,30,2、柱面波（具有无限长圆柱波面的波，一般由线光源产生）公式 公式的意义,31,Concept,1.Amplitude,A,is the height of the wave above the axis of propagation.The energy of the light is proportional to the square of the amplitude.2.Wavelength,is the distance between consecutive equivalent points on the wave.3.Frequency,is the number of oscillations per second.,32,Concept,4.Period,T,is the time it takes a point on the wave to make on complete oscillation.Period and frequency are reciprocal to one another.5.The velocity of propagation,v,of a wave is the product of wavelength and frequency;,33,本课内容回顾,1、麦克斯韦方程组2、物质方程3、波动方程4、电磁波的平面波解（平面波、简谐波解的形式和意义，物理量的关系，电磁波的性质）5、球面波和柱面波（定义、方程表达式）,34,Homework,1.A particle is in simple harmonic motion with a period of 3s and an amplitude of 6 cm.One-half second after the particle has passed through its equilibrium position,what is:1)Its displacement?2)Its velocity?3)Its acceleration?,35,Maxwell,James Clerk Maxwell(1831-1879).Scottish mathematician and physicist.At age 15,he presented a paper before the Royal Society,at 16,became interested in optics when he had the chance of visiting Nicol,who gave him a pair of polarizing prisms.In 1864,he read a paper before the Royal Society,published a year later:“A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”.He says that“Light itself is an electromagnetic disturbance in the form of waves propagated through the electromagnetic field according to electromagnetic laws.”,36,Hertz,Heinrich Rudolf Hertz(1874-1937),German physicist,in 1887,found the waves predicted by Maxwell 22 years ago.,37,Simple Harmonic Wave,If the wave follows a sine function or a cosine function,and the waveform therefore is either sinusoidal or cosinusoidal,it is called a simple harmonic wave.,38,第四节 光波的叠加(Superposition of waves),2、波的叠加原理：几个波在相遇点产生的合振动是各个在该点产生振动的矢量和。（p201),1、波的叠加现象,一、波的叠加原理,39,3、注意几个概念：叠加结果为光波振幅 的矢量和，而不是光强 的和。光波传播的独立性：两个光波相遇后又分开，每个光波仍然保持原有的特性（频率、波长、振动方向、传播方向等）。叠加的合矢量仍然满足波动方程的通解，式（1020）。一个实际的光场是许多个简谐波叠加的结果。,40,二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加,（一）三角函数的叠加,41,（二）复函数的叠加,42,（三）对叠加结果的分析：（主要对象为合成的光强）,43,三、驻波,两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反的单色光波的叠加将形成驻波。垂直入射的光波和它的反射光波之间将形成驻波。,44,45,四、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加,合振动的大小和方向随时间变化，合振动矢量末端运动轨迹方程为：,46,椭圆形状的分析：()（图10-30）,47,右旋光与左旋光,1、右旋光：迎着光的传播方向观察，合矢量顺时针方向旋转。,2、左旋光：迎着光的传播方向观察，合矢量逆时针方向旋转。,48,五、光学拍,光学拍是由两个频率接近、振幅相同、振动方向相同且在同一方向传播的光形成的。（图1032）,49,50,lm,A,51,合成波的强度随时间和位置而变化的现象称为拍。其频率称拍频（Beat frequency）。,拍频的应用：利用已知的一个光频率w1，测量另一个未知的光频率w2。,52,六、群速度和相速度,1、相速度（Phase velocity）：等位相面传播的速度,53,2、群速度(Group velocity)：等振幅面传播的速度,在真空中传播时，波速相同，相速度和群速度相等。在色散介质中传播时，不同频率的光波传播速度不同，合成波形在传播过程中会不断地变化，相速度和群速度便不同了。,54,本课内容回顾,1、波的叠加原理2、两个频率相同、振动方向相同的单色光波叠加3、驻波（频率同、振动方向同、传播方向相反）4、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波叠加5、光学拍（小频率差、振动方向同、传播方向同、振幅同）6、相速度和群速度,55,Homework,1.The two waves are represented by cosine functions,y1=Acos(t+1)and y2=Acos(t+2),respectively.Find resultant wave and magnitude of the new amplitude.,