Chap2-光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與光場(chǎng)傳播規(guī)律

第二章

光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與光場(chǎng)傳播規(guī)律主要內(nèi)容2.1光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2.2麥克斯韋方程2.3電介質(zhì)2.4波動(dòng)方程2.5光波的表示與傳播特性2.6高斯光束2.1光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1光的基本屬性(1)微粒說(shuō)(2)波動(dòng)說(shuō)(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(shuō)根據(jù)光的直線傳播性質(zhì),牛頓與1704年在《光學(xué)》一書(shū)中提出光是微粒流的理論.他認(rèn)為這些微粒從光源飛出來(lái),在真空或均勻物質(zhì)內(nèi)由于慣性而做勻速直線運(yùn)動(dòng),并以此解釋了光的反射定律和折射定律·從十七世紀(jì)開(kāi)始,就發(fā)現(xiàn)有與光的直線傳播不完全符合的事實(shí)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(dòng)說(shuō)惠更斯1678年《論光》一書(shū)中提出光是在“以太”中傳播的波，提出光波動(dòng)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(méi)有提到波長(zhǎng)、相位這些概念1815年,菲涅耳用楊氏干涉原理補(bǔ)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(shí)的偏振現(xiàn)象.楊氏在1817年提出了光是一種橫波的假設(shè).菲涅耳進(jìn)一步完善了這個(gè)觀點(diǎn)并導(dǎo)出了菲涅耳公式波動(dòng)說(shuō)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(shí)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(zhǎng)分布的問(wèn)題.特別是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)光電效應(yīng)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(ài)因斯坦提出了光量子理論(光子理論),圓滿解釋了光電效應(yīng).光的波動(dòng)性：光的干涉、衍射和偏振光的粒子性：黑體輻射、光電效應(yīng)等光同時(shí)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(dú)立傳播原理及干涉波動(dòng)的三個(gè)特性——獨(dú)立性,疊加性,相干性1獨(dú)立性原理2疊加性在波的獨(dú)立傳播定律成立的前提下,當(dāng)兩列或多列波同時(shí)存在時(shí),在它們的交疊區(qū)域內(nèi)每點(diǎn)的振動(dòng)是各列波單獨(dú)在該點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)的合成,這就是波的疊加原理當(dāng)兩列光波在空間交疊時(shí),它們各自的傳播互不干擾,各自獨(dú)立地按照自己原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn),彼此不受影響.這就是波的獨(dú)立傳播定律2.1.3光的獨(dú)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(dòng)分量(3)位相差恒定兩個(gè)沿同一直線的簡(jiǎn)諧振動(dòng),頻率相同,位相相同疊加的結(jié)果由于位相差恒定,與時(shí)間無(wú)關(guān),則2.1.3光的獨(dú)立傳播原理及干涉平均強(qiáng)度干涉項(xiàng)3相干性(干涉)2.1.3光的獨(dú)立傳播原理及干涉3相干性(干涉)※討論(1)若兩振動(dòng)位相相同……合振動(dòng)平均強(qiáng)度達(dá)最大值(干涉相長(zhǎng))(2)若兩振動(dòng)位相相反……合振動(dòng)平均強(qiáng)度最小(干涉相消)2.1.4衍射1光的衍射現(xiàn)象(1)窗外說(shuō)話,窗內(nèi)他聽(tīng)見(jiàn)(聲波)(2)無(wú)線電波繞過(guò)山的障礙物,山區(qū)能接收到電臺(tái)的廣播(電磁波)(3)光波照射不透明的障礙物,形成的影子說(shuō)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(gè)面元看做次波源(2)空間某點(diǎn)P振動(dòng)是所有次波在該點(diǎn)的相干疊加菲涅耳衍射(近場(chǎng)衍射)夫瑯和費(fèi)衍射(遠(yuǎn)場(chǎng)衍射)由自然光得到偏振光的過(guò)程稱為起偏,所用器件為起偏器;如該器件用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)骋皇馐欠駷槠窆?則稱之為檢偏器.2.1.5偏振縱波：波的振動(dòng)方向和波的振動(dòng)方向相同橫波：波的振動(dòng)方向和波的振動(dòng)方向垂直

·振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性叫做偏振.最常見(jiàn)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(dòng)的光矢量都有，但振幅不對(duì)稱，在某一方向振動(dòng)較強(qiáng)，而與它垂直的方向上振動(dòng)弱(4)圓偏振光光矢量端點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)的光為線偏振光。偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向組成的平面稱為振動(dòng)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(gè)方向振動(dòng)的矢量都有,呈各方向概率相等的隨機(jī)分布2.1.5偏振自然光光路中插入檢偏器，屏上光強(qiáng)減半檢偏器旋轉(zhuǎn)，屏上亮暗無(wú)變化

線偏振光檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強(qiáng)兩強(qiáng)兩弱自然光經(jīng)過(guò)起偏器后轉(zhuǎn)變成線偏振光

圓偏振光檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強(qiáng)無(wú)變化

部分偏振光檢偏器旋轉(zhuǎn)一周,屏上光強(qiáng)兩強(qiáng)兩弱

橢圓偏振光檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強(qiáng)兩強(qiáng)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(guān)系，x是常數(shù)2.3.1電介質(zhì)的特性與的關(guān)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(qiáng)度介質(zhì)折射率(1)線性特性某一位置處的與該位置有關(guān)，與其它位置處的無(wú)關(guān)與的關(guān)系與矢量的取向無(wú)關(guān)，此時(shí)與平行與的關(guān)系與位置無(wú)關(guān)，在任何一處的x都是常數(shù)時(shí)刻只與此刻有關(guān)，與前面時(shí)刻的無(wú)關(guān)。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(guān)系不只與的一次項(xiàng)有關(guān)，也與它的高次項(xiàng)有關(guān)與的方向不一致。與的關(guān)系與的取向有關(guān)。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(guān)系與有關(guān)。不同處的x不同，n不同2.3.2電介質(zhì)的分類(1)簡(jiǎn)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(yīng)不是即時(shí)的，與前一時(shí)刻有關(guān)2.4波動(dòng)方程波動(dòng)方程(1)(2)(3)(4)(a)(b)(c)把(b)帶入(1)中得對(duì)該式兩邊取旋度式左端利用矢量運(yùn)算法則右端把(2)和(c)帶入整理得波動(dòng)方程1.

簡(jiǎn)單電介質(zhì)情況下的時(shí)域波動(dòng)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(chǎng)方程阻尼項(xiàng)波動(dòng)方程(1)不導(dǎo)電介質(zhì)中有源波動(dòng)方程場(chǎng)輻射來(lái)源于源激勵(lì)(2)不導(dǎo)電介質(zhì)中無(wú)源波動(dòng)方程波動(dòng)方程(3)有源擴(kuò)散方程系統(tǒng)為低頻緩變電磁場(chǎng)，即(4)無(wú)源擴(kuò)散方程波動(dòng)方程(5)恒定場(chǎng)不隨時(shí)間變化的場(chǎng)波動(dòng)方程2.簡(jiǎn)單電介質(zhì)情況下的頻域波動(dòng)方程在時(shí)諧條件下，即有此處的是與t無(wú)關(guān)的量，而時(shí)域場(chǎng)波動(dòng)方程中的與t有關(guān)(1)高頻低電導(dǎo)有源時(shí)，波動(dòng)方程(2)高頻低電導(dǎo)無(wú)源時(shí)(3)導(dǎo)電介質(zhì)中的無(wú)源波動(dòng)方程不可忽視(4)緩變無(wú)源場(chǎng)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(jiǎn)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(dòng)方程的一個(gè)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(qiáng)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(chǎng)振幅分布是非均勻的高斯分布。高斯光束的特點(diǎn)(旁軸情況下)(1)一種非均勻高斯球面波(2)傳播過(guò)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(qiáng)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(biāo)而變化光斑半徑：場(chǎng)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(dāng)振幅減小到中心值的處

時(shí)r值定義為光斑半徑。光斑半徑隨坐標(biāo)z按雙曲線的規(guī)律而擴(kuò)展在處有最小值，即束腰半徑·時(shí)，，等相面在無(wú)窮遠(yuǎn)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(wú)窮遠(yuǎn)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(shí)，，達(dá)到極小值·時(shí)，，在遠(yuǎn)場(chǎng)處可將高斯光束近似為一個(gè)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