Chap2-光學基礎知識與光場傳播規(guī)律

第二章

光學基礎知識與光場傳播規(guī)律主要內(nèi)容2.1光學基礎知識2.2麥克斯韋方程2.3電介質(zhì)2.4波動方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1光學基礎知識2.1.1光的基本屬性(1)微粒說(2)波動說(3)光的電磁理論(4)波粒二象性back2.1.1光的基本屬性微粒說根據(jù)光的直線傳播性質(zhì),牛頓與1704年在《光學》一書中提出光是微粒流的理論.他認為這些微粒從光源飛出來,在真空或均勻物質(zhì)內(nèi)由于慣性而做勻速直線運動,并以此解釋了光的反射定律和折射定律·從十七世紀開始,就發(fā)現(xiàn)有與光的直線傳播不完全符合的事實如：格里瑪?shù)?、胡克等觀察到衍射現(xiàn)象2.1.1光的基本屬性波動說惠更斯1678年《論光》一書中提出光是在“以太”中傳播的波，提出光波動的次波原理,成功地解釋了折射、反射定律,還解釋了方解石的雙折射定律.但是沒有提到波長、相位這些概念1815年,菲涅耳用楊氏干涉原理補充了惠更斯原理,稱為惠更斯-菲涅耳原理

·1808年,馬呂發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)表面上反射時的偏振現(xiàn)象.楊氏在1817年提出了光是一種橫波的假設.菲涅耳進一步完善了這個觀點并導出了菲涅耳公式波動說理論既解釋了光的直線傳播,也解釋了光的干涉、衍射現(xiàn)象,同時又解釋了光的偏振現(xiàn)象.2.1.1光的基本屬性波粒二象性

·光的電磁理論的主要困難是不能解釋光和物質(zhì)相互作用的某些現(xiàn)象.例如熾熱黑體輻射中能量按波長分布的問題.特別是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應光電效應2.1.1光的基本屬性波粒二象性·1900年普朗克提出了輻射的量子理論(1)能量是不連續(xù)的(2)能量的大小等于hv的整數(shù)倍

·1905年愛因斯坦提出了光量子理論(光子理論),圓滿解釋了光電效應.光的波動性：光的干涉、衍射和偏振光的粒子性：黑體輻射、光電效應等光同時具有波粒二象性back2.1.2折射反射全反射1折射、反射定律包括兩方面的內(nèi)容(1)折射、反射光位于入射光與界面法線所決定的平面內(nèi)(2)折射交滿足,反射角等于入射角n1n2(2),入射角大于臨界角——2.1.2折射反射全反射2全反射(1)光從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)入射——n1>n2，入射光的能量全部被界面反射回光密介質(zhì)2.1.3光的獨立傳播原理及干涉波動的三個特性——獨立性,疊加性,相干性1獨立性原理2疊加性在波的獨立傳播定律成立的前提下,當兩列或多列波同時存在時,在它們的交疊區(qū)域內(nèi)每點的振動是各列波單獨在該點產(chǎn)生的振動的合成,這就是波的疊加原理當兩列光波在空間交疊時,它們各自的傳播互不干擾,各自獨立地按照自己原來的傳播方向繼續(xù)前進,彼此不受影響.這就是波的獨立傳播定律2.1.3光的獨立傳播原理及干涉3相干性(干涉)兩列波產(chǎn)生相干的條件(1)頻率相同(2)存在相互平行的振動分量(3)位相差恒定兩個沿同一直線的簡諧振動,頻率相同,位相相同疊加的結果由于位相差恒定,與時間無關,則2.1.3光的獨立傳播原理及干涉平均強度干涉項3相干性(干涉)2.1.3光的獨立傳播原理及干涉3相干性(干涉)※討論(1)若兩振動位相相同……合振動平均強度達最大值(干涉相長)(2)若兩振動位相相反……合振動平均強度最小(干涉相消)2.1.4衍射1光的衍射現(xiàn)象(1)窗外說話,窗內(nèi)他聽見(聲波)(2)無線電波繞過山的障礙物,山區(qū)能接收到電臺的廣播(電磁波)(3)光波照射不透明的障礙物,形成的影子說明什么？2.1.4衍射2惠更斯-菲涅耳原理原理(1)將波前上每個面元看做次波源(2)空間某點P振動是所有次波在該點的相干疊加菲涅耳衍射(近場衍射)夫瑯和費衍射(遠場衍射)由自然光得到偏振光的過程稱為起偏,所用器件為起偏器;如該器件用來檢驗某一束光是否為偏振光,則稱之為檢偏器.2.1.5偏振縱波：波的振動方向和波的振動方向相同橫波：波的振動方向和波的振動方向垂直

·振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做偏振.最常見光偏振態(tài)包括：自然光,線偏振光,部分偏振光,圓偏振光和橢圓偏振光2.1.5偏振(3)部分偏振光部分偏振光在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)沿各方向振動的光矢量都有，但振幅不對稱，在某一方向振動較強，而與它垂直的方向上振動弱(4)圓偏振光光矢量端點在垂直于光傳播方向的截面內(nèi)描繪出圓形軌跡(5)橢圓偏振光光矢量端點在垂直于光傳播方向的截面內(nèi)描繪出橢圓軌跡(2)線偏振光光矢量只沿某一固定方向振動的光為線偏振光。偏振光的振動方向與傳播方向組成的平面稱為振動面(1)自然光自然光在垂直于光傳播防線的平面內(nèi)沿各個方向振動的矢量都有,呈各方向概率相等的隨機分布2.1.5偏振自然光光路中插入檢偏器，屏上光強減半檢偏器旋轉，屏上亮暗無變化

線偏振光檢偏器旋轉一周，光強兩強兩弱自然光經(jīng)過起偏器后轉變成線偏振光

圓偏振光檢偏器旋轉一周，光強無變化

部分偏振光檢偏器旋轉一周,屏上光強兩強兩弱

橢圓偏振光檢偏器旋轉一周，光強兩強兩弱

2.2麥克斯韋方程麥克斯韋微分方程物質(zhì)方程與是線性關系，x是常數(shù)2.3.1電介質(zhì)的特性與的關系不同，介質(zhì)就呈現(xiàn)不同的特性2.3電介質(zhì)形成宏觀束縛電荷的現(xiàn)象稱為電極化。能產(chǎn)生電極化的物質(zhì)統(tǒng)稱為電介質(zhì)極化強度介質(zhì)折射率(1)線性特性某一位置處的與該位置有關，與其它位置處的無關與的關系與矢量的取向無關，此時與平行與的關系與位置無關，在任何一處的x都是常數(shù)時刻只與此刻有關，與前面時刻的無關。2.3.1電介質(zhì)的特性(2)非色散特性(3)均勻性(4)各向同性(5)空間非色散性與的關系不只與的一次項有關，也與它的高次項有關與的方向不一致。與的關系與的取向有關。不同方向的極化率不同，折射率不同。這種介質(zhì)中某些方向容易極化些，另一些則較難極化只是非均勻，與的關系與有關。不同處的x不同，n不同2.3.2電介質(zhì)的分類(1)簡單電介質(zhì)線性，非色散，均勻，各向同性(2)非均勻介質(zhì)(3)各向異性介質(zhì)(4)非線性介質(zhì)(5)色散介質(zhì)極化的響應不是即時的，與前一時刻有關2.4波動方程波動方程(1)(2)(3)(4)(a)(b)(c)把(b)帶入(1)中得對該式兩邊取旋度式左端利用矢量運算法則右端把(2)和(c)帶入整理得波動方程1.

簡單電介質(zhì)情況下的時域波動方程線性，非色散，均勻，各向同性的電介質(zhì)同樣可以得到磁場方程阻尼項波動方程(1)不導電介質(zhì)中有源波動方程場輻射來源于源激勵(2)不導電介質(zhì)中無源波動方程波動方程(3)有源擴散方程系統(tǒng)為低頻緩變電磁場，即(4)無源擴散方程波動方程(5)恒定場不隨時間變化的場波動方程2.簡單電介質(zhì)情況下的頻域波動方程在時諧條件下，即有此處的是與t無關的量，而時域場波動方程中的與t有關(1)高頻低電導有源時，波動方程(2)高頻低電導無源時(3)導電介質(zhì)中的無源波動方程不可忽視(4)緩變無源場2.5光波的表示與傳播特性2.5.1光波的電磁表示1.平面波等相面(波前)是平面2.球面波等相面是球面3.柱面波等相面為圓柱形4.拋物面波2.5.2邊界條件及光在簡單電介質(zhì)界面上的反射和折射邊界連續(xù)條件自由電荷面密度自由電荷線密度2.6高斯光束2.6.1高斯光束高斯光束斯波動方程的一個特解，是一種非均勻波，在許多方面類似于平面波。但是它的強度分布不均勻，主要集中在傳播軸附近。它的等相面是彎曲的。等相面上的光場振幅分布是非均勻的高斯分布。高斯光束的特點(旁軸情況下)(1)一種非均勻高斯球面波(2)傳播過程中曲率中心不斷改變(3)振幅分布在橫截面內(nèi)為高斯分布(4)強度集中在軸線及其附近(5)等相面保持球面2.6.2高斯光束的性質(zhì)1.振幅分布及光斑半徑，束腰半徑高斯光束在任一z處,其橫向振幅分布為高斯分布，光斑半徑隨z坐標而變化光斑半徑：場振幅以高斯函數(shù)的形式從中心(傳播

軸線)向外平滑的減小。當振幅減小到中心值的處

時r值定義為光斑半徑。光斑半徑隨坐標z按雙曲線的規(guī)律而擴展在處有最小值，即束腰半徑·時，，等相面在無窮遠處為平面，曲率半徑的中心就在束腰處·z＝0處，，等相面在束腰處為平面，曲率半徑中心在無窮遠處2.6.2高斯光束的性質(zhì)2.高斯光束的等相面在近軸情況下，高斯光束的等相面是以

為半徑的球面·時，，達到極小值·時，，在遠場處可將高斯光束近似為一個由z=0發(fā)出的半徑為z的球面波2.6.2高斯光束的性質(zhì)3.瑞利距離