第二部分光波特性

第二部分光波特性第1頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的基本原理及特性波長/m無線電波微波紅外線紫外線可見光

X射線射線宇宙射線1m103m106mm10910-310-610-9nm波長/nm106102003904554925775976227605x1036x1034x104300極遠遠近極遠遠中近紅橙黃綠藍紫電磁波譜圖第二部分光波的特性第2頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的基本原理及特性2、麥克斯韋電磁方程

根據(jù)光的電磁理論，光波具有電磁波的所有性質，這些性質都可以從電磁波的基本方程－麥克斯韋方程組推導出來。麥克斯韋方程組的微分形式：

?D＝?B＝0xE＝－(B/t)xH＝J+(D/t)式中：D、E、B、H分別表示電感應強度（電位移矢量）、電場強度、磁感應強度、磁場強度；是自由電荷密度、J是傳導電流密度。這種微分形式的方程組將空間任一點的電、磁場聯(lián)系在一起，可以確定空間任一點的電、磁場。3、物質方程

D＝E

B＝

H

J＝

E式中：＝0r為介電常數(shù)，描述介質的光學性質。0是真空中介電常數(shù)，r是相對介電常數(shù)

；＝0r為介質磁導率，描述介質的磁學性質。0

是真空中磁導率，r是相對磁導率；為電導率，描述介質的導電特性。注：若介質的光學性質是各向異性的，則、和應當是張量。第二部分光波的特性第3頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的基本原理及特性4、波動方程

在各向均勻的介質中，在遠離輻射源，不存在自由電荷和傳導電流的區(qū)域，此時麥克斯韋方程組簡化為：?D＝0?B＝0xE＝－(B/t)xH＝(D/t)由此可推導出交變電磁場所滿足的典型的波動方程：

2E－(1/2)(2E/t2)=02H－(1/2)(2H/t2)=0該式說明了交變電場和磁場是以速度傳播的電磁波動。式中：＝()-1/2

光電磁波在真空中的傳播速度:＝(00)-1/2

為表征光在介質中傳播的快慢，引入光折射率：n=c/=(rr)1/2

除鐵磁性介質外，大多數(shù)介質的磁性都很弱，可以認為r1。因此，折射率可以表示為：n=(r)1/2

此式稱為麥克斯韋關系。對于一般介質，r或n

都是頻率的函數(shù)，具體的函數(shù)關系取決于介質的結構。第二部分光波的特性第4頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的基本原理及特性5、光電磁波的能流密度為了描述電磁能量的傳播，引入能流密度－玻印亭（Poyning）矢量S，它定義為：S

＝ExH表示單位時間內，通過垂直于傳播方向上的單位面積的能量。對于一種沿Z方向傳播的平面光波，光場表示為：

E

=ex

E0cos(wt-kz)

H=hyH0cos(wt-kz)式中的ex

、hy是電場、磁場振動方向上的單位矢量，其能流密度S為

S

＝szE0H0cos2(wt-kz)

S

＝sz(n/0c)(E0)2cos2(wt-kz)平均能流密度：S為S在光探測器的響應時間內的積分。光強：I＝S＝(1/2)(n/0c)(E0)2

＝(1/2)(/)1/2(E0)2

＝a(E0)2

在同一種介質中，光強與電場強度振幅的平方成正比。第二部分光波的特性第5頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的基本原理及特性6、平面光波

光波中包含有電場矢量和磁場矢量，從波的傳播特性來看，它們處于同樣的地位，但是從光與介質的相互作用來看，其作用不同。在通常應用的情況下，磁場的作用遠比電場弱，甚至不起作用。因此，通常把光波中的電場矢量E

稱為光矢量，把電場E的振動稱為光振動，在討論光的波動特性時，只考慮電場矢量E

即可。（1）、單色平面波

單色平面波的三角函數(shù)表示沿＋z方向傳播的平面光波，其電場表示式為單色平面波的復數(shù)表示式（2）、球面光波

一個各向同性的點光源,它向外發(fā)射的光波是球面光波，等相位面是以點光源為中心、隨著距離的增大而逐漸擴展的同心球面。所以球面光波的振幅只隨距離R變化。第二部分光波的特性第6頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的基本原理及特性7、光的偏振平面光波是橫電磁波，其矢量的振動方向與光波傳播方向垂直。根據(jù)空間任一點電場E

的矢量末端在不同時刻的軌跡不同，其偏振態(tài)可分為線偏振、圓偏振和橢圓偏振。8、光的干涉

光的波動性主要標志之一：兩列波疊加后產生干涉現(xiàn)象。光的干涉本質：光強重新分配。相干的條件：同頻率、同偏振、有固定的相位差。9、光的衍射光的衍射是指光波在傳播過程中遇到障礙物時，所發(fā)生的偏離直線傳播的現(xiàn)象。光的衍射現(xiàn)象與光的干涉現(xiàn)象其實質都是相干光波疊加引起的光強的重新分布；不同之處：光的干涉現(xiàn)象是有限個相干光波的疊加，光的衍射則是無限多個相干光波的疊加的結果。衍射分為：夫瑯和費衍射和菲涅耳衍射。第二部分光波的特性第7頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的基本原理及特性10、光學膜

光學薄膜－多光束干涉空氣n1玻璃n2IiIrItR=[(n1-n2)/(n1+n2)]2T=4n1n2/(n1+n2)2n1

n2n3R=[(n1n3-(n2)2)/(n1n3+(n2)2)]2空氣玻璃MgF多層高反射膜HD高反射膜為奇數(shù)層層數(shù)越多，R越大只對應一種波長第二部分光波的特性第8頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的基本原理及特性（二）、光子學說光子學說的核心就是光是由一些以光速傳播的物質單元－光子所組成。1、光子具有能量，而這種能量與一定的光頻率相對應

=h2、光子具有動量，而這種動量與一定的光波長、一定的傳播方向相對應

p=(h/)n0=hk3、光子具有質量m，但光子靜態(tài)質量為0，動態(tài)質量與能量的關系為

=mc24、光子具有兩種可能的獨立偏振狀態(tài)，對應于光波場的兩個獨立偏振態(tài)。5、光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)。因此大量光子的集合，服從玻色－愛因斯坦統(tǒng)計規(guī)律。處于同一狀態(tài)的光子數(shù)目沒有限制，這是光子與其它服從費米統(tǒng)計分布的離子（電子、質子、中子等）的重要區(qū)別。第二部分光波的特性第9頁，課件共10頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的基本原理及特性6、光子狀態(tài)的描述測不準關系：位置與動量不能同時確