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

1、(1) 微粒說 (2)波動(dòng)說(3)光的電磁理論(4)波粒二象性back微粒說根據(jù)光的直線傳播性質(zhì),牛頓與1704年在光學(xué)一書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,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)象波動(dòng)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(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.但是沒有提到波長、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

2、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.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(yīng)光電效應(yīng)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(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

3、光同時(shí)具有波粒二象性back1 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2211sinsinnnn1n2c1(2), 入射角大于臨界角c12 全反射(1) 光從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)入射n1n2，入射光的能量全部被界面反射回光密介質(zhì)c12sinnnc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)立地按照自己原來的

4、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)cos(222tAE3 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)沿同一直線的簡諧振動(dòng),頻率相同,位相相同疊加的結(jié)果2221121112212221221coscossinsintan)cos(2)cos(AAAAAAAAAtAEEE)cos(111tAE由于位相差恒定, 與時(shí)間無關(guān),則12平均強(qiáng)度tttdttAAAAdtAAAAtdtAtAI012212221012212221022)cos(12)cos(211)cos(212212221AAAAI干涉項(xiàng)3 相干性(干涉)3 相干性

5、(干涉)討論(1)若兩振動(dòng)位相相同22112)(3 , 2 , 1 , 0,2AAImm合振動(dòng)平均強(qiáng)度達(dá)最大值(干涉相長)(2)若兩振動(dòng)位相相反22112)(3 , 2 , 1 , 0,) 12(AAImm合振動(dòng)平均強(qiáng)度最小(干涉相消)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(tái)的廣播(電磁波)(3)光波照射不透明的障礙物,形成的影子 說明什么？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(近場衍射)夫瑯和費(fèi)衍射(遠(yuǎn)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

6、;如該器件用來檢驗(yàn)?zāi)骋皇馐欠駷槠窆?則稱之為檢偏器.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(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

7、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 tBEtDJHD0BsJEJHMHBEPED000物質(zhì)方程 與 是線性關(guān)系，x是常數(shù)與 的關(guān)系不同，介質(zhì)就呈現(xiàn)不同的特性ExP0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xnr1PE(1

8、)線性特性PE某一位置 處的 與該位置 有關(guān)，與其它位置處的 無關(guān)與 的關(guān)系與矢量 的取向無關(guān)，此時(shí) 與 平行與 的關(guān)系與位置無關(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 無關(guān)。tPEE(2)非色散特性(3)均勻性PE(4)各向同性PEPE),(trEE(5)空間非色散性PEr 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(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)PE

9、rEr(3)各向異性介質(zhì)PEPE(4)非線性介質(zhì)PEE(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)EtBEtDJHD0BsJEJHMHBEPED000(1)(2)(3)(4)(a)(b)(c)把(b)帶入(1)中得對(duì)該式兩邊取旋度)(0MHtE)()(0MHtE式左端利用矢量運(yùn)算法則EEE2)()(右端把(2)和(c)帶入整理得)()(0002202MttJtEtDEEs1. 簡單電介質(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)tJtEtEcnExnExPEEEDs00222220111)()(同樣可以得到磁場方程阻尼項(xiàng)sJtHtHcnH022222(1)不導(dǎo)電介質(zhì)中有源

10、波動(dòng)方程tJtEcnEJtHcnHss0222222222210場輻射來源于源激勵(lì)(2)不導(dǎo)電介質(zhì)中無源波動(dòng)方程00002222222222tEcnEtHcnHJs(3)有源擴(kuò)散方程系統(tǒng)為低頻緩變電磁場，即022tE022tH0ssJtHHtJtEE020021(4)無源擴(kuò)散方程000202tHHtEE(5)恒定場不隨時(shí)間變化的場0t022tssJHJHEE221sHJHHHHHHHH)()()()()(20222.簡單電介質(zhì)情況下的頻域波動(dòng)方程在時(shí)諧條件下，即tiezyxEtzyxE),(),(tiezyxHtzyxH),(),(有ssJHHiHJiEEiE2022021此處的 是與t無關(guān)的

11、量，而時(shí)域場波動(dòng)方程中的 與t有關(guān)HE,HE,(1)高頻低電導(dǎo)有源時(shí)，ssJHHJiEE22221(2)高頻低電導(dǎo)無源時(shí)002222HHEE(3)導(dǎo)電介質(zhì)中的無源波動(dòng)方程不可忽視00202202HHiHEEiE(4)緩變無源場000202HiHEiE1. 平面波rk iAerE)(等相面(波前)是平面2. 球面波rk ierArE)(等相面是球面3. 柱面波rk ierArE)(等相面為圓柱形4. 拋物面波zyxikzk ieezArE222)(邊界連續(xù)條件ttttnnnnHHEEBBDD1212121200自由電荷面密度自由電荷線密度 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

12、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exp)(22zre1在 處 有最小值，即束腰半徑0z0)0(1)()(1 )(20220220202zzzzzz 時(shí)， ，等相面在無窮遠(yuǎn)處為平面，曲率半 徑的中心就在束腰處 z0處， ，等相面在束腰處為平面，曲率半徑中 心在無窮遠(yuǎn)處 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)(1 )(20zzzzR)(zR)(zRz)(zR 時(shí)， ，達(dá)到極小值0zz02)(zzR 時(shí)， ，在遠(yuǎn)場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0zz zzR)(3. 瑞利距離 當(dāng) 時(shí)， ，即光斑從 增大到 ，這個(gè)范圍是