ch91 光的電磁性質(zhì)

1、1物物 理理 光光 學(xué)學(xué)Physics OpticsPhysics Optics物理光學(xué)是研究光的物質(zhì)屬性、光的產(chǎn)生機(jī)制、光的傳播規(guī)律、光與物質(zhì)、光與光相互作用規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。2教學(xué)要求教學(xué)要求 掌握波動(dòng)光學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。正確理解光的電磁基礎(chǔ)理論，掌握光的干涉、衍射、偏振的基本概念和結(jié)論，能分析、解釋和解決波動(dòng)光學(xué)中的一些基本現(xiàn)象和問(wèn)題，為今后設(shè)計(jì)光學(xué)儀器和進(jìn)一步學(xué)習(xí)光電檢測(cè)、信息光學(xué)及近代光學(xué)、激光技術(shù)及應(yīng)用、光纖技術(shù)及應(yīng)用等后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。 主要參考書(shū)主要參考書(shū)1梁銓廷編. 物理光學(xué). 北京：電子工業(yè)出版社，2008. .2劉晨主編. 物理光學(xué). 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2007.3趙凱

2、華. 新概念物理教程光學(xué)卷. 北京：高等教育出版社，2004.3CH.9CH.9【目標(biāo)要求目標(biāo)要求】1、了解麥克斯韋方程組、物質(zhì)方程。2、掌握光的電磁波表達(dá)形式和電磁場(chǎng)的復(fù)振幅描述。3、理解光強(qiáng)的概念，掌握相對(duì)光強(qiáng)的計(jì)算。4、掌握光在介質(zhì)分界面的反射、折射和全反射，熟悉用菲涅耳公式計(jì)算反射或透射光波的振幅、光強(qiáng)和能流，理解半波損失。5、掌握布儒斯特定律。6、了解光的吸收、色散和散射現(xiàn)象及經(jīng)典理論。7、掌握同頻率同振動(dòng)方向的光波的疊加。8、理解頻率相同、振動(dòng)方向相互垂直的兩光波的疊加。9、掌握復(fù)雜光波的傅里葉分析。10、領(lǐng)會(huì)群速度、相速度的概念，了解光拍、光駐波。4CH.9CH.9【重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)

3、難點(diǎn)】 1、光強(qiáng)的概念及計(jì)算。2、全反射條件及布儒斯特定律。 3、同頻率同振動(dòng)方向的光波的疊加。4、復(fù)雜光波的傅里葉分析。 5、本章的難點(diǎn)是用菲涅耳公式計(jì)算反射或透射光波的振幅、光強(qiáng)和能流。5 1919世紀(jì)世紀(jì)6060年代，年代，MaxwellMaxwell建立經(jīng)典電磁理論。同建立經(jīng)典電磁理論。同時(shí)，他把光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，指出光也時(shí)，他把光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，指出光也是一種電磁波，從而產(chǎn)生光的電磁理論。是一種電磁波，從而產(chǎn)生光的電磁理論。第九章第九章 光的電磁理論光的電磁理論第一節(jié)第一節(jié) 光的電磁性質(zhì)光的電磁性質(zhì)一、電磁場(chǎng)的波動(dòng)性一、電磁場(chǎng)的波動(dòng)性（一）麥克斯韋方程組（一）麥克

4、斯韋方程組麥克斯韋方程組是麥克斯韋把麥克斯韋方程組是麥克斯韋把穩(wěn)定電磁場(chǎng)（靜電場(chǎng)和穩(wěn)穩(wěn)定電磁場(chǎng)（靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)）恒電流的磁場(chǎng)）的基本規(guī)律推廣到的基本規(guī)律推廣到不穩(wěn)定電磁場(chǎng)不穩(wěn)定電磁場(chǎng)的普通的普通情況而得到的。情況而得到的。6麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組和和物質(zhì)方程物質(zhì)方程一起組成完整的方程組，一起組成完整的方程組，用于描寫(xiě)用于描寫(xiě)時(shí)變場(chǎng)時(shí)變場(chǎng)情況下電磁場(chǎng)的普遍規(guī)律情況下電磁場(chǎng)的普遍規(guī)律tDjHtBEBD0tEBtBEBE00遠(yuǎn)離場(chǎng)源遠(yuǎn)離場(chǎng)源EjEDHB物質(zhì)方程：物質(zhì)方程：7（二）電磁場(chǎng)的波動(dòng)性（二）電磁場(chǎng)的波動(dòng)性1 1、任何隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生電場(chǎng)，這種電、任何隨時(shí)間變化的磁

5、場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生電場(chǎng)，這種電場(chǎng)具有渦旋性。場(chǎng)具有渦旋性。2 2、任何隨時(shí)間變化的電場(chǎng)（位移電流）在周?chē)臻g產(chǎn)生、任何隨時(shí)間變化的電場(chǎng)（位移電流）在周?chē)臻g產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)是渦旋的。磁場(chǎng)，磁場(chǎng)是渦旋的。 電場(chǎng)和磁場(chǎng)緊密相聯(lián)，其中一個(gè)起變化時(shí)，隨即出現(xiàn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)緊密相聯(lián)，其中一個(gè)起變化時(shí)，隨即出現(xiàn)另一個(gè)，它們相互激發(fā)形成統(tǒng)一的場(chǎng)另一個(gè)，它們相互激發(fā)形成統(tǒng)一的場(chǎng)電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)。 交變電磁場(chǎng)在空間以一定的速度由近及遠(yuǎn)的傳播，就交變電磁場(chǎng)在空間以一定的速度由近及遠(yuǎn)的傳播，就形成了形成了電磁波電磁波。8根據(jù)矢量分析基本公式根據(jù)矢量分析基本公式FFF2)()(EEE2)()(0 E由于EE2)(0222tEE對(duì)

6、于對(duì)于H同理可得同理可得0222tHHB B和和H H，不考慮磁極化問(wèn)題，兩者方向相同，不考慮磁極化問(wèn)題，兩者方向相同，B B是是H H與極化的與極化的合成合成HB90222tEE0222tHH上述兩式具有一般的波動(dòng)微分方程的形式，表明上述兩式具有一般的波動(dòng)微分方程的形式，表明E E和和H H隨時(shí)隨時(shí)間和空間的變化是遵循波動(dòng)的規(guī)律的，電磁場(chǎng)以波動(dòng)形式間和空間的變化是遵循波動(dòng)的規(guī)律的，電磁場(chǎng)以波動(dòng)形式在空間傳播。在空間傳播。電磁波的傳播速度電磁波的傳播速度1v與介質(zhì)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)有關(guān)。與介質(zhì)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)有關(guān)。稱為稱為波動(dòng)微分方程波動(dòng)微分方程，表明電場(chǎng)和磁場(chǎng)以波動(dòng)形式在空間傳播，表明電場(chǎng)和磁

7、場(chǎng)以波動(dòng)形式在空間傳播012222tEvE012222tHvH10當(dāng)電磁波在真空中傳播時(shí)，其傳播速度為當(dāng)電磁波在真空中傳播時(shí)，其傳播速度為001c電磁波在真空中的傳播速度為電磁波在真空中的傳播速度為smc/1099794. 28這一數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的光在真空中的傳播速度一致這一數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的光在真空中的傳播速度一致電磁波具有與光波相同的反射、折射、相干、衍射和偏電磁波具有與光波相同的反射、折射、相干、衍射和偏振特性，它的傳播速度等于光速。振特性，它的傳播速度等于光速。,/108542. 822120mNC其中2270/104CSN 11在介質(zhì)中，引入相對(duì)介電常數(shù)，在介質(zhì)中，引入相對(duì)介電常數(shù)，0

8、r和相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率0r得電磁波的速度得電磁波的速度rrcv稱電磁波在真空中的速度與介質(zhì)中速度的比值為稱電磁波在真空中的速度與介質(zhì)中速度的比值為介質(zhì)對(duì)電磁波的折射率介質(zhì)對(duì)電磁波的折射率rrvcn對(duì)于非磁性介質(zhì)：對(duì)于非磁性介質(zhì)：rn1r12可見(jiàn)光波長(zhǎng)約為380-760nm，光頻為81014-41014Hz13400nm紫紫760nm紅紅400450500550600650760nm 紫紫 藍(lán)藍(lán) 綠綠 黃黃 橙橙 紅紅紅紅 光光 770620nm 3.91014 4.8 1014Hz 橙橙 光光 620590nm 4.81014 5.1 1014Hz 黃黃 光光 590560nm 5.110

9、14 5.4 1014Hz 綠綠 光光 560500nm 5.41014 6.0 1014Hz 青青 光光 500480nm 6.01014 6.3 1014Hz 藍(lán)藍(lán) 光光 480450nm 6.31014 6.7 1014Hz 紫紫 光光 450 390nm 6.71014 7.7 1014Hz 表表19-1 可見(jiàn)光的范圍可見(jiàn)光的范圍14二、平面電磁波及其性質(zhì)二、平面電磁波及其性質(zhì)（一）平面簡(jiǎn)諧電磁波的波動(dòng)公式（一）平面簡(jiǎn)諧電磁波的波動(dòng)公式)(costvzAE)(costvzAH假設(shè)平面波沿直角坐標(biāo)系假設(shè)平面波沿直角坐標(biāo)系xyzxyz的的z z方向傳播，方向傳播，平面簡(jiǎn)諧平面簡(jiǎn)諧電磁波的波

10、動(dòng)公式為電磁波的波動(dòng)公式為:對(duì)于光波來(lái)說(shuō)，就是平面單色光波的波動(dòng)公式。式中對(duì)于光波來(lái)說(shuō)，就是平面單色光波的波動(dòng)公式。式中、AA分別是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振幅矢量，表示平分別是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振幅矢量，表示平面波的偏振方向和大小面波的偏振方向和大小v是平面波在介質(zhì)中的傳播速度是平面波在介質(zhì)中的傳播速度）（tvz稱為相位，是時(shí)間和空間坐標(biāo)的函數(shù)，表示稱為相位，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)平面波在不同時(shí)刻空間各點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)15利用物理量之間的關(guān)系利用物理量之間的關(guān)系ncTvTT0022（真空中）（介質(zhì)中）為光波波長(zhǎng)為振動(dòng)周期，是振動(dòng)頻率，T引入波傳播方向上的波矢量引入波傳播方向

11、上的波矢量kvk 2其大小其大小k k（稱為空間角頻率或波數(shù)）為（稱為空間角頻率或波數(shù)）為: :)(costkzAE所以，波動(dòng)公式可寫(xiě)成所以，波動(dòng)公式可寫(xiě)成16 單色光波波動(dòng)公式最顯著的特點(diǎn)是它的單色光波波動(dòng)公式最顯著的特點(diǎn)是它的時(shí)間周期時(shí)間周期性和空間周期性性和空間周期性，它表示單色光波是一種時(shí)間無(wú)限延續(xù)、，它表示單色光波是一種時(shí)間無(wú)限延續(xù)、空間無(wú)限延伸的波動(dòng)，而任何時(shí)間周期性和空間周期性空間無(wú)限延伸的波動(dòng)，而任何時(shí)間周期性和空間周期性的破壞，都意味著單色光波單色性的破壞。的破壞，都意味著單色光波單色性的破壞。 波長(zhǎng)稱為單色光波的空間周期，波長(zhǎng)的倒數(shù)稱為波長(zhǎng)稱為單色光波的空間周期，波長(zhǎng)的倒數(shù)

12、稱為空間頻率，波數(shù)成為空間角頻率?？臻g頻率，波數(shù)成為空間角頻率。 單色光波的時(shí)間周期性和空間周期性通過(guò)傳播速度單色光波的時(shí)間周期性和空間周期性通過(guò)傳播速度由由 決定決定 vT17對(duì)于光來(lái)說(shuō)，它也包含了電矢量和磁矢量，對(duì)于光來(lái)說(shuō)，它也包含了電矢量和磁矢量，從波的從波的傳播來(lái)看，電矢量和磁矢量處于同等的地位，傳播來(lái)看，電矢量和磁矢量處于同等的地位，但從但從光與物質(zhì)的作用來(lái)看，兩者不相同。光與物質(zhì)的作用來(lái)看，兩者不相同。通常把電矢量通常把電矢量 稱為光矢量，把稱為光矢量，把 的振動(dòng)稱為光的振動(dòng)稱為光振動(dòng)。在討論光的振動(dòng)性質(zhì)時(shí)，只考慮電矢量即可。振動(dòng)。在討論光的振動(dòng)性質(zhì)時(shí)，只考慮電矢量即可。EE復(fù)數(shù)形

13、式的平面簡(jiǎn)諧電磁波的波動(dòng)公式復(fù)數(shù)形式的平面簡(jiǎn)諧電磁波的波動(dòng)公式)(exp)(exptrkiAHtrkiAE復(fù)振幅為復(fù)振幅為:rk iAEexp18（二）平面電磁波的性質(zhì)（由麥克斯韋方（二）平面電磁波的性質(zhì)（由麥克斯韋方程組討論平面電磁波的性質(zhì)）程組討論平面電磁波的性質(zhì)）1 1、平面電磁波是橫波。、平面電磁波是橫波。 波的傳播方向與電場(chǎng)方向垂直。波的傳播方向與電場(chǎng)方向垂直。 波的傳播方向與磁場(chǎng)方向垂直。波的傳播方向與磁場(chǎng)方向垂直。2 2、波矢、波矢 、電場(chǎng)、電場(chǎng) 、磁場(chǎng)、磁場(chǎng) 相互垂直。相互垂直。3 3、電場(chǎng)、電場(chǎng) 、磁場(chǎng)、磁場(chǎng) 同相位。同相位。KEHEH19三、球面波和柱面波三、球面波和柱面波

14、)(exp1tkrirA：E球面簡(jiǎn)諧波ikrrAE：exp. 11發(fā)散球面波復(fù)振幅ikrrAE：exp. 21會(huì)聚球面波復(fù)振幅)(exp1tkrirA：E柱面簡(jiǎn)諧波ikrrAE：exp. 11發(fā)散柱面波復(fù)振幅ikrrAE：exp. 21會(huì)聚柱面波復(fù)振幅20四、光波的輻射和輻射能四、光波的輻射和輻射能 光是電磁波，光源發(fā)光是物體輻射電磁波的過(guò)程。物光是電磁波，光源發(fā)光是物體輻射電磁波的過(guò)程。物體微觀上可認(rèn)為由大量分子、原子、電子所組成，可看成體微觀上可認(rèn)為由大量分子、原子、電子所組成，可看成電荷體系，大部分物體發(fā)光屬于原子發(fā)光類(lèi)型。電荷體系，大部分物體發(fā)光屬于原子發(fā)光類(lèi)型。（一）電偶極子輻射模型

15、（一）電偶極子輻射模型 經(jīng)典電磁理論把經(jīng)典電磁理論把原子發(fā)光原子發(fā)光看成是看成是原子內(nèi)部過(guò)程形成的電原子內(nèi)部過(guò)程形成的電偶極子的輻射偶極子的輻射。 在外界能量的激發(fā)下，原子中電子和原子核不停運(yùn)動(dòng)，在外界能量的激發(fā)下，原子中電子和原子核不停運(yùn)動(dòng)，以致原子的以致原子的正電中心正電中心（原子核）和（原子核）和負(fù)電中心負(fù)電中心（高速回轉(zhuǎn)電子）（高速回轉(zhuǎn)電子）往往不重合，且兩者的距離不斷變化，使原子成為一個(gè)振蕩往往不重合，且兩者的距離不斷變化，使原子成為一個(gè)振蕩的電偶極子。振蕩電偶極子在周?chē)臻g產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，的電偶極子。振蕩電偶極子在周?chē)臻g產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，并在空間以一定的速度傳播，伴隨著能量的傳

16、遞。并在空間以一定的速度傳播，伴隨著能量的傳遞。21（二）對(duì)實(shí)際光波的認(rèn)識(shí)（二）對(duì)實(shí)際光波的認(rèn)識(shí) 實(shí)際光源發(fā)出的光波并不是在時(shí)間和空間上無(wú)限延續(xù)的實(shí)際光源發(fā)出的光波并不是在時(shí)間和空間上無(wú)限延續(xù)的簡(jiǎn)諧波，而是一些簡(jiǎn)諧波，而是一些有限長(zhǎng)度的衰減振動(dòng)。有限長(zhǎng)度的衰減振動(dòng)。是由被稱為是由被稱為波列波列的的光波組成的。光波組成的。 這是由于原子的劇烈運(yùn)動(dòng)，彼此間不斷碰撞，輻射過(guò)程這是由于原子的劇烈運(yùn)動(dòng)，彼此間不斷碰撞，輻射過(guò)程常常中斷，因而原子發(fā)光是斷斷續(xù)續(xù)的。常常中斷，因而原子發(fā)光是斷斷續(xù)續(xù)的。 原子每次發(fā)光的持續(xù)時(shí)間是原子兩次碰撞的時(shí)間間隔，原子每次發(fā)光的持續(xù)時(shí)間是原子兩次碰撞的時(shí)間間隔，持續(xù)時(shí)間很

17、短，大約持續(xù)時(shí)間很短，大約1010-8-81010-9-9秒。秒。22不相干不相干( (不同原子發(fā)的光不同原子發(fā)的光) )不相干不相干( (同一原子先后發(fā)的光同一原子先后發(fā)的光) ) 原子發(fā)出的光波由一段段有限長(zhǎng)的稱為波列的光波組原子發(fā)出的光波由一段段有限長(zhǎng)的稱為波列的光波組成；每段波列，其振幅在持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變或緩慢變化，成；每段波列，其振幅在持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變或緩慢變化，前后各段之間無(wú)固定的位相關(guān)系，甚至光矢量的振動(dòng)方向前后各段之間無(wú)固定的位相關(guān)系，甚至光矢量的振動(dòng)方向也不同。也不同。23實(shí)際光源輻射的光波無(wú)偏振性。實(shí)際光源輻射的光波無(wú)偏振性。v 實(shí)際光源由大量原子和分子組成，所發(fā)出的光

18、振實(shí)際光源由大量原子和分子組成，所發(fā)出的光振動(dòng)方向雜亂無(wú)章。動(dòng)方向雜亂無(wú)章。v 在觀察時(shí)間內(nèi)，每個(gè)原子發(fā)生多次輻射，每次輻在觀察時(shí)間內(nèi)，每個(gè)原子發(fā)生多次輻射，每次輻射的振動(dòng)方向和位相無(wú)規(guī)則。射的振動(dòng)方向和位相無(wú)規(guī)則。實(shí)際光源輻射的光不是偏振光而是自然光。實(shí)際光源輻射的光不是偏振光而是自然光。光的光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)以極快的光的光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)以極快的速度取速度取0 0360360內(nèi)的一切可能的方向，且沒(méi)有哪一個(gè)內(nèi)的一切可能的方向，且沒(méi)有哪一個(gè)方向占有優(yōu)勢(shì)。具有上述特性的光，稱為自然光。方向占有優(yōu)勢(shì)。具有上述特性的光，稱為自然光。偏振性：振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性稱為

19、偏振性。偏振性：振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性稱為偏振性。24例例: :普通單色光普通單色光 : 10-2 10 0A 激光激光 ：10-8 10-5 A 0 0II0I0 / 2譜線寬度譜線寬度衡量單色性好壞的物理量是衡量單色性好壞的物理量是譜線寬度譜線寬度 理想的單色光理想的單色光具有恒定單一波長(zhǎng)的簡(jiǎn)諧波，它是無(wú)限伸展的。具有恒定單一波長(zhǎng)的簡(jiǎn)諧波，它是無(wú)限伸展的。實(shí)際原子的發(fā)光實(shí)際原子的發(fā)光是一個(gè)有限長(zhǎng)的波列是一個(gè)有限長(zhǎng)的波列, ,所以不是嚴(yán)格的余弦函數(shù)所以不是嚴(yán)格的余弦函數(shù), ,只能說(shuō)只能說(shuō)是準(zhǔn)單色光，即在某個(gè)中心頻率（波長(zhǎng)）附近有一定頻是準(zhǔn)單色光，即在某個(gè)中心頻率（波長(zhǎng)）附近有一定頻率

20、（波長(zhǎng)）范圍的光。率（波長(zhǎng)）范圍的光。25（三）輻射能（三）輻射能電磁波的傳播過(guò)程伴隨著能量在空間的傳遞?？臻g某一區(qū)電磁波的傳播過(guò)程伴隨著能量在空間的傳遞?？臻g某一區(qū)域中單位體積的輻射能可以用電磁場(chǎng)的能量密度域中單位體積的輻射能可以用電磁場(chǎng)的能量密度w w表示。表示。)(21)(2122HEBHDEw電場(chǎng)能量密度和磁場(chǎng)能量密度電場(chǎng)能量密度和磁場(chǎng)能量密度12122HEvws輻射強(qiáng)度矢量輻射強(qiáng)度矢量 - - 坡印亭矢量坡印亭矢量 （描述電磁能量的傳播）（描述電磁能量的傳播）S的方向表示能量流動(dòng)的方向，其大小等于單位時(shí)間垂直的方向表示能量流動(dòng)的方向，其大小等于單位時(shí)間垂直通過(guò)單位面積的能量。通過(guò)單位面積的能量。S26