物理光学1-复习课程.ppt

1,波动光学基础,1.1 光的波动性质*1.2 光波的函数表述*1.3 光的偏振态 1.4 实际光波与理想光波*1.5 光在介质界面的反射与折射,第1章 波动光学基础,1.波动的实质,2.,波动的基本特征量,3.,波的类型,4.,纵波与横波,5.,光的波动性,6.,光波的电磁性质,1.1 光的波动性质,1,波动光学基础,波动：,振动状态在空间的传播。,波动的实质：,能量以振动的方式在空间传播，使空间各点的物理状态呈现空间和时间上的周期性分布，但承担传播任务的物质本身并不随波移动。,结论：,具有时空双重周期性运动形式和能量的传输，是一切波动的基本特性。,不具备这种特性的事物，不能成为严格意义下的波动。,1,波动光学基础,1.1.1,波动的实质,波动,产生,的,条件,：,存在一个能够由于外界的某种能量供给而产生（机械的或电磁的）振动的波源。,1.1 光的波动性质,振幅,A,(,P,)、相位,f,(,P,)、速度,v,；,周期（时间）,T、,频率（时间）,n,（或圆频率,w,）；,波长（空间周期）,l,、波数,k,（空间圆频率）。,各量间相互关系：,注意：,波动的传播速度有,相速度,和,群速度,之分。,基本特征量：,波动的频率,（,或时间周期,）,仅仅与振源有关，而波长,（,即空间周期,）,不仅与振源的振动频率有关，而且与介质有关,。,1,波动光学基础,1.1.2,波动的基本特征量,1.1 光的波动性质,波面：,波场中,振动相位相同的点的轨迹,(1),波面与波线,波线：,表示波动,能量传播的几何径迹,特征：,一般波面表现为,空间三维曲面族,各向同性介质中，,波线为与波面处处正交的三维曲线族；,各向异性介质中，,波线一般不与波面正交。,1,波动光学基础,1.1.3,波的类型,1.1 光的波动性质,e,图1.1-2 发散球面波的波面,k,r,图1.1-1 平面波的波面,k,等相面与等幅面,y,z,x,图1.1-3 发散柱面波的波面,S,S,r,k,P,(2),平面波、球面波与柱面波,平面波波面为平面，,球面波波面为球面，,柱面波波面为圆柱面。,1,波动光学基础,1.1 光的波动性质,平面波对应于无限远处理想点源发出的波；,球面波对应于有限远处理想点源发出的波；,柱面波对应无限长线波源发出的波；,平面波是波面曲率半径趋于无限大时的球面波或柱面波。,讨论球面波和平面波问题具有普遍意义；,任何一个波源，都可以看成是由,若干点波源组成的集合,；,构成任何复杂波面的基元是球面波或平面波。,说明：,特征：,1.1 光波的性质,1,波动光学基础,1.1.3 波的类型,标量波：,空间各点的扰动,不具有方向性,的波场，,如密度波、温度波等；,矢量波：,空间各点的扰动,具有方向性的,波场，,如电磁波、水波等；,说明：,一般情况下，矢量波要用矢量场理论描述.当矢量波场中各点的扰动具有同一方向时，可将其简化为标量波处理。,处理矢量波场时,可以将其分解为方向不变的正交分量,便可使用标量波理论处理。,1.1 光的波动性质,1,波动光学基础,1.1.3 波的类型,(3),标量波与矢量波,(4),定态波场,定态波场,满足下列两个条件的波场：,1.1.3 波的类型,1,波动光学基础,1.1 光的波动性质,空间各点的扰动是与波源,同频率的简谐振动,；,空间各点扰动的,振幅,形成,稳定的空间分布,而不随时间变化。,说明：,理想定态波场为,无源场,（简谐波场），在时间上无始无终.,实际波源发出的波场并不是严格意义上的定态波场，当波源发出的波列的持续时间远大于波的振动周期时，才可以将其近似看作定态波场。,(1),纵波及其特点,振动方向与传播方向相同，振动状态相对于传播方向具有轴对称性。,图1.1-6 纵波的传播特征,传播方向,振动方向,图1.1-7 横波的传播特征,传播方向,振动方向,(2)横波及其特点,振动方向与传播方向正交，振动状态相对于传播方向不具有轴对称性。,(3)偏振,振动方向垂直于传播方向的振动状态的规律性现象。,1,波动光学基础,1.1.4,纵波与横波,1.1 光的波动性质,光具有波动的一切特征：,如频率、波长、速度、振幅、相位等，而且能在真空中传播。,1.1.6,光波的电磁性质,光波和电磁波都可在真空中传播，且传播速度与电磁波相同；,介质对光波以及电磁波的折射特性同样起因于介质的介电性质；,光波具有偏振性质，是一种横波，而电磁波的电场强度矢量及磁场强度矢量均正交于传播方向，表明电磁波也是一种横波，具有偏振性质；,用电磁场理论对光的各种偏振现象所作的理论解释均与实验观察结果相符合。,1,波动光学基础,1.1.5,光的波动性,1.1 光的波动性质,光波是电磁波中的一部分,760nm,390nm,可见光,电 磁 波 谱,红外线,紫外线,射线,X,射线,长波无线电波,频率,波长,短波无线电波,1,波动光学基础,1.1 光的波动性质,1.1.6 光波的电磁性质,光波谱,1,波动光学基础,1.1 光的波动性质,1.1.6 光波的电磁性质,(1),光波场的描述,在标量场近似下，,光波场的波函数就是光波的电场分量函数，单色光波即简谐波,对眼睛及其他光探测器有视觉反应的，主要是光波的电场强强度矢量,E,，故,光波场的振动状态一般可由其电场矢量 表示,，简称,为光波电矢量或,光矢量。,1.1 光的波动性质,1,波动光学基础,1.1.6 光波的电磁性质,式中：,e,0,：,电磁场在真空中的介电常数；,m,0,：,电磁场在真空中的磁导率；,e,r,：,介质中的相对介电常数；,m,r,：,介质中的相对磁导率，对于非铁磁介质，,m,r,1；,n,：,介质相对于真空的折射率。,真空中的光速：,介质中的光速：,(2)光波场的传播速度与折射率,1,波动光学基础,1.1 光的波动性质,1.1.6 光波的电磁性质,光波场的能流密度矢量,S,：,意义：,光波场单位时间流过空间某一方向单位面积的光能量大小,。,瞬时值的大小：,1.1 光的波动性质,1,波动光学基础,1.1.6 光波的电磁性质,(3),光的能流密度,图1.1-7 能流密度矢量,S,H,E,H,0,E,0,(4),光强度,光探测器的响应时间,t,T,(光振动周期),光探测器接收到的光信号,=在许多周期内的平均值，,通常的光强度：,单位面积上的平均光功率或平均能流密度。,简谐波的光强度：,1,波动光学基础,1.1 光的波动性质,1.1.6 光波的电磁性质,说明：,光强度正比于,光波电矢量振幅的平方,；,在大多数情况下，通常只关心光强的相对分布，故在同一种介质中考察光强度分布时，通常用,电矢量振幅平方表示（,相对）光强度：,1.1 光的波动性质,1,波动光学基础,1.1.6 光波的电磁性质,比较不同介质中光强度大小时必须考虑光场所处,介质折射率,的因素。强度表达式中折射率的出现，反映了光在不同介质中的传播速度不同，因而在相同时间内通过单位面积的平均能流大小不同，即光强I,1,、I,2,大小不同。,注意：,因此，,当光波在两种介质中振幅相等时，其强度比并不等于,1,，而是等于两种介质的折射率之比。即,1,波动光学基础,1.1 光的波动性质,1.1.6 光波的电磁性质,