清華大學(xué)物理光學(xué)課件(第1節(jié))

1、精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-221孫利群孫利群教授辦公室：教授辦公室：3104# 光學(xué)工程基礎(chǔ)光學(xué)工程基礎(chǔ)物理光學(xué)物理光學(xué)精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-222物理光學(xué)與幾何光學(xué)的關(guān)系物理光學(xué)與幾何光學(xué)的關(guān)系20幾何光學(xué)：不涉及光的物理本性將光視為傳輸能量的幾何線（光線）物理光學(xué)在波長趨于 時(shí)的一種近似光學(xué)光的干涉波動(dòng)光學(xué) 光的衍射物理光學(xué)： 研究光的本質(zhì)光的偏振量子光學(xué)精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-223緒論：物理光學(xué)的研究對象緒論：物理光學(xué)的研究對象3量子光學(xué)電磁光學(xué)波動(dòng)光學(xué)幾何光學(xué)?光（物質(zhì)）的基本屬性光（物

2、質(zhì)）的基本屬性?光的傳播規(guī)律光的傳播規(guī)律?光與其它物質(zhì)之間的相互作用光與其它物質(zhì)之間的相互作用精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-224物理光學(xué)（波動(dòng)光學(xué)）研究內(nèi)容物理光學(xué)（波動(dòng)光學(xué)）研究內(nèi)容4光在光在各向同性各向同性媒質(zhì)中的傳播規(guī)律（折射、反射、吸收、色散、散射）；傳播過程中媒質(zhì)中的傳播規(guī)律（折射、反射、吸收、色散、散射）；傳播過程中光波疊加光波疊加（干涉）時(shí)、（干涉）時(shí)、光波受阻光波受阻（衍射）時(shí)的現(xiàn)象、規(guī)律；在（衍射）時(shí)的現(xiàn)象、規(guī)律；在各向異性各向異性媒質(zhì)中的傳播規(guī)律（偏振、雙折射）媒質(zhì)中的傳播規(guī)律（偏振、雙折射）現(xiàn)象現(xiàn)象&規(guī)律規(guī)律精密儀器系精密儀器與機(jī)械

3、學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-225物理光學(xué)的應(yīng)用物理光學(xué)的應(yīng)用5精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-226物理光學(xué)的應(yīng)用物理光學(xué)的應(yīng)用6精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-227課程的性質(zhì)及學(xué)習(xí)方法課程的性質(zhì)及學(xué)習(xí)方法?性質(zhì)：性質(zhì)：技術(shù)基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課?課程側(cè)重：課程側(cè)重：基本物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律、物理理論及應(yīng)用的闡述；基本物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律、物理理論及應(yīng)用的闡述；?為學(xué)習(xí)后繼專業(yè)課程及進(jìn)一步深造打基礎(chǔ)為學(xué)習(xí)后繼專業(yè)課程及進(jìn)一步深造打基礎(chǔ)?學(xué)習(xí)方法：學(xué)習(xí)方法：以基本現(xiàn)象、理論、規(guī)律、應(yīng)用為主線，注重對物理概念的理解以基本現(xiàn)象、理論

4、、規(guī)律、應(yīng)用為主線，注重對物理概念的理解7要求與安排：課內(nèi)外學(xué)時(shí)比例要求與安排：課內(nèi)外學(xué)時(shí)比例 1 : 1.5獨(dú)立、按時(shí)、按量完成作業(yè)獨(dú)立、按時(shí)、按量完成作業(yè)精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-228參考書參考書精密儀器系1. 鐘錫華，現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)，北京：北京大學(xué)出版社，鐘錫華，現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)，北京：北京大學(xué)出版社，20032. 梁銓廷，物理光學(xué)（第梁銓廷，物理光學(xué)（第3版），北京：電子工業(yè)出版社，版），北京：電子工業(yè)出版社，20113. e. hecht, optics (4th ed.) , new york: addison-wesley, 20024. max b

5、orn, emil wolf, principle of optics, 6th ed.波恩波恩, 沃耳夫著，光學(xué)原理沃耳夫著，光學(xué)原理(上上/下下)，楊葭蓀等譯，北京：科學(xué)出版社，楊葭蓀等譯，北京：科學(xué)出版社， 2005 (第第7版版)精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2299光的電磁理論是經(jīng)典光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)的基礎(chǔ)光的電磁理論是經(jīng)典光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)的基礎(chǔ)精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2210本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：?光的電磁性質(zhì)光的電磁性質(zhì)?光在均勻媒質(zhì)中傳播的基本規(guī)律光在均勻媒質(zhì)中傳播的基本規(guī)律?光在介質(zhì)表面的反射和折射光在介質(zhì)表面的反射和折射?光波

6、的疊加光波的疊加10預(yù)備知識:1、普通物理：電磁學(xué)2、工程數(shù)學(xué)：矢量運(yùn)算、場論基礎(chǔ)精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-221111精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2212121、 maxwell 方程組方程組2、物質(zhì)方程、物質(zhì)方程3、電磁場的波動(dòng)性、電磁場的波動(dòng)性一、電磁場的波動(dòng)性一、電磁場的波動(dòng)性精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2213?1、 maxwell 方程組方程組：130dbbetdhjt = = = =+urururururuu rrdebhj：電感強(qiáng)度：電場強(qiáng)度：磁感強(qiáng)度：磁場強(qiáng)度：電荷密度： 傳導(dǎo)電

7、流密度精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2214maxwell 方程組的意義方程組的意義?揭示了：揭示了：?電場、磁場的性質(zhì)電場、磁場的性質(zhì)?電流、電場、磁場之間相互激勵(lì)的關(guān)系電流、電場、磁場之間相互激勵(lì)的關(guān)系14000 xyzxyz+vvvt精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-22152、物質(zhì)方程、物質(zhì)方程(在電磁場作用下物質(zhì)特性的關(guān)系式在電磁場作用下物質(zhì)特性的關(guān)系式)15debhje=uru ru ruu rru r:介電常數(shù)磁導(dǎo)率電導(dǎo)率00 1 =rrr非鐵磁介質(zhì) 12220722008.8542 10/410/cn mn sc真空中精密

8、儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2216?物質(zhì)方程給出了媒質(zhì)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)是光與物質(zhì)相互作用時(shí)媒質(zhì)中大量分子平均作用的結(jié)果。物質(zhì)方程給出了媒質(zhì)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)是光與物質(zhì)相互作用時(shí)媒質(zhì)中大量分子平均作用的結(jié)果。16精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-22173、電磁場的波動(dòng)性、電磁場的波動(dòng)性?由由maxwell方程得出結(jié)論：方程得出結(jié)論：?（1）任何隨時(shí)間變化的磁場周圍空間都會(huì)產(chǎn)生變化的電場，具有渦旋場的性質(zhì)。）任何隨時(shí)間變化的磁場周圍空間都會(huì)產(chǎn)生變化的電場，具有渦旋場的性質(zhì)。?（2）任何隨時(shí)間變化的電場（位移電流）都會(huì)在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場，

9、是渦旋場。）任何隨時(shí)間變化的電場（位移電流）都會(huì)在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場，是渦旋場。17精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2218?結(jié)論：變化的電場與變化的磁場緊密相連，互相激發(fā)，交替產(chǎn)生，在空間形成統(tǒng)一的場結(jié)論：變化的電場與變化的磁場緊密相連，互相激發(fā)，交替產(chǎn)生，在空間形成統(tǒng)一的場電磁場電磁場18變化的電磁場在空間可以一定的速度向周圍空間傳播出去，電磁場由近及遠(yuǎn)地傳播，形成電磁波變化的電磁場在空間可以一定的速度向周圍空間傳播出去，電磁場由近及遠(yuǎn)地傳播，形成電磁波精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2219電磁場的波動(dòng)方程電磁場的波動(dòng)方程?無限

10、大各向同性均勻介質(zhì)中， 、為常數(shù)，?不存在自由電荷和傳導(dǎo)電流，（遠(yuǎn)離輻射源的區(qū)域，或變化的電磁場脫離產(chǎn)生它的源的區(qū)域）190=00j ，00beetebbt= =vvvvvv精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-22202000ebbetebt= =vvvvvv()()()()()2220eebtteeee = = =vvvvvvv波動(dòng)微分方程波動(dòng)微分方程22222200eetbbt=vvvv精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-222121拉普拉斯算符: 拉普拉斯算符: 2222222xyz = =+222222222222222200eeeexy

11、zthhhhxyzt+=+=ururururuu ruu ruu ruu r波動(dòng)微分方程波動(dòng)微分方程一維情況：一維情況：22220,0eexy=urur22220eezt=urur精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2222?類比簡諧機(jī)械波：滿足的波動(dòng)方程：22cos()zsatv=u ru r2222210sszvt=u ru r真空中傳播速度：實(shí)測值：真空中傳播速度：實(shí)測值：8002.99791/4 10/cm s =8252.91970/9cm s=1/v=21/v=e b、精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-222323電磁場與靜電場、靜

12、磁場的不同電磁場與靜電場、靜磁場的不同精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-222424介質(zhì)的折射率：00rrcnv =非鐵磁介質(zhì)：1rrn=精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-222525電電電電磁磁磁磁波波波波譜譜譜譜可見光波長范圍可見光波長范圍 400760 nm可見光光譜可見光光譜可見光光譜可見光光譜精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2226261、平面波解、平面波解2、單色平面波解、單色平面波解3、單色平面波波函數(shù)的表達(dá)式、單色平面波波函數(shù)的表達(dá)式4、單色平面波的性質(zhì)、單色平面波的性質(zhì)二、平面電磁波及其性質(zhì)二、平

13、面電磁波及其性質(zhì)精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-222727、eb精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2228()()zzffttvv+、 是以 、 12?為變量的任意矢量函數(shù)為變量的任意矢量函數(shù)波函數(shù)波函數(shù)1、平面波解、平面波解?設(shè)平面波沿設(shè)平面波沿z方向傳播，則波動(dòng)方程為：方向傳播，則波動(dòng)方程為：28bbzvt=urur2222210eezvt=urur2222210,zzttvv=+()()()()zzzzeftfthftftvvvv+1212?令，則方程的解為令，則方程的解為精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-

14、2229?以( ) 和 ( ) 為變量的波函數(shù)具有傳播的特性29ztvztv+t1t2時(shí)刻場點(diǎn)的振動(dòng)是源點(diǎn)在t1時(shí)刻的振動(dòng)源點(diǎn)源點(diǎn)v()zttv= +21場點(diǎn)場點(diǎn)取正向傳播：11()()zzefthftvv=uruu r行波表示行波表示: 源點(diǎn)的振動(dòng)經(jīng)過一定的時(shí)間推遲才傳播到場點(diǎn)，電磁場是逐點(diǎn)傳播的。源點(diǎn)的振動(dòng)經(jīng)過一定的時(shí)間推遲才傳播到場點(diǎn)，電磁場是逐點(diǎn)傳播的。精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-22302、單色平面波解、單色平面波解?波動(dòng)方程具有線性性質(zhì)（只要每個(gè)諧波分量滿足）平面波解波動(dòng)方程具有線性性質(zhì)（只要每個(gè)諧波分量滿足）平面波解波函數(shù)可以作傅立葉諧波分解波函數(shù)

15、可以作傅立葉諧波分解30()zftvr?諧波函數(shù)矢量形式：諧波函數(shù)矢量形式：cos()zetva=+rrcos()zhtva=+rr?：相位是時(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)相位是時(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)()ztv+精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2231?物理量關(guān)系：物理量關(guān)系：31t=122vt=?引入：引入：波傳播方向上的波矢量波傳播方向上的波矢量其大小其大小k （空間角頻率或波數(shù)）（空間角頻率或波數(shù)）與與、及、及的關(guān)系：的關(guān)系：kr/kv =2cos()cos()zteakztat2?波動(dòng)公式波動(dòng)公

16、式:精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2232?具有單一頻率、 在時(shí)間和空間上無限延伸的波具有單一頻率、 在時(shí)間和空間上無限延伸的波32=/k12精密儀器系cos()cos()zteakztat2精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-223333、v或c?波在傳播過程中位相保持不變波在傳播過程中位相保持不變?平面波平面波: 等相位面是平面，波面的法線為光線波長與介質(zhì)的關(guān)系：等相位面是平面，波面的法線為光線波長與介質(zhì)的關(guān)系：0cctnvvt=0n=精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2234?相速度相速度v：等相位面（波面）傳播速度：

17、等相位面（波面）傳播速度4/26/201034.kztconst+=0kdzdt=dzvdtk=?單色平面波的特點(diǎn)：單色平面波的特點(diǎn)：空間周期性空間周期性和和時(shí)間周期性時(shí)間周期性時(shí)間和空間上是無限的時(shí)間和空間上是無限的?任何時(shí)間和空間周期的破壞，任何時(shí)間和空間周期的破壞，單色性單色性遭到破壞遭到破壞?平面波的振幅或位相若受到時(shí)間或空間的調(diào)制它的平面波的振幅或位相若受到時(shí)間或空間的調(diào)制它的單色性單色性和和平面性平面性都受到破壞都受到破壞精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-22353、單色平面波波函數(shù)的表達(dá)式、單色平面波波函數(shù)的表達(dá)式?波矢量波矢量:平面波傳播方向，平面波傳

18、播方向，k: 波數(shù)波數(shù)方向余弦方向余弦4/26/201035kr0kkk=rr0coscoscosjkki+=rrrr?一般表達(dá)式一般表達(dá)式cos()cos( coscoscos )eak rtak xyzt=+rrrrr精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2236?復(fù)數(shù)表達(dá)式復(fù)數(shù)表達(dá)式?復(fù)振幅表達(dá)式（只考慮光振動(dòng)的空間分布時(shí)用）復(fù)振幅表達(dá)式（只考慮光振動(dòng)的空間分布時(shí)用）4/26/201036exp()eaitk r=rrrrexp()exp(coscoscos)=+eaikraik xyzrrrr精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-22374、

19、單色平面波的性質(zhì)、單色平面波的性質(zhì)?設(shè)平面波（單色）：設(shè)平面波（單色）：37exp()exp()eaitk rhaitk r=uru rr ruu ruu rr r?麥克斯韋方程組為：麥克斯韋方程組為：00dbbeteht= =uru ru rururuu r00k ek hkehkhe= r urr uu rruruu rruu rurikiteikeeiet = =rrurrrur精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2238?結(jié)論：結(jié)論：?橫波特性：光波為橫波特性：光波為橫波橫波電、磁矢量的方向均垂直波的傳播方向電、磁矢量的方向均垂直波的傳播方向?成右手系成右手系且

20、互相垂直且互相垂直38(),( )ke dh brur uruu r u r，ekhkurruu rr精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2239?、 之間的數(shù)量關(guān)系：、 之間的數(shù)量關(guān)系：正實(shí)數(shù)，正實(shí)數(shù)， e 和和h 始終同位相始終同位相39ehuruu rkeh=r uruu rkeh=lleh=eh=1evb=001()()bkekev=vvvvv精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2240401、球面波、球面波2、柱面波、柱面波三、球面波和柱面波三、球面波和柱面波精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2241?1、球面波、球面波?以波源為中心的球面上具有相同的電磁場值，以波源為中心的球面上具有相同的電磁場值，?波沿徑向傳播，波沿徑向傳播，?波場值（電磁波）只與波源的遠(yuǎn)近和時(shí)間有關(guān) ，而與傳播方向無關(guān)。波場值（電磁波）只與波源的遠(yuǎn)近和時(shí)間有關(guān) ，而與傳播方向無關(guān)。41,e r t（）精密儀器系精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系2013-4-2242?球面波解：