物理光学课件.ppt

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1、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

2、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

3、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.Hu

4、ygens）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，

5、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,

6、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,

7、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

8、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 i

9、s 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 r

10、eciprocal 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

11、.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

12、 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 prop

13、agated 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 therefo

14、re 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

15、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

16、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.,