大学课件-物理光学

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1、物理光学一光学的两大分支光学是物理学最古老的学科之一，它分为几何光学和物理光学两大部分。几何光学：以光的直线传播模型为基础，研究光的传播规律、成象规律，是光学系统设计的基础。物理光学：以光的电磁理论为基础，研究光的本性、光的传播规律及光与物质的相互作用。1波动光学2薄膜光学3非线性光学4傅立叶光学5集成光学二物理光学的内容绪论1864年，麦克斯韦在总结安培、法拉第等人关于电场、磁场的研究工作的基础上，归纳得出了描述统一的电磁场规律的麦克斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论。1865年他进一步提出了光是一种电磁波的设想并在1888年为赫兹的实验所证实，光的电磁理论由此得

2、以确立。光的电磁理论的建立推动了光学及整个物理学的发展，尽管在理论上有其局限性，但它仍是阐明众多光学现象的经典理论。第一章光的电磁理论积分形式的麦克斯韦方程组静电场和静磁场的麦克斯韦方程组静电场的高斯定理静电场的环路定律这一方程组只适用于稳恒场。若电场和磁场是交变场，则其中的部分表达式不适用静磁场的环路定律静磁场的高斯定理麦克斯韦方程组描述了电磁场的基本规律，它有积分和微分两种表达形式。§1麦克斯韦方程组交变电磁场的麦克斯韦方程组麦克斯韦假定在交变电场和交变磁场中，高斯定理依然成立。变化的磁场会产生涡旋电场，故静电场的环路定律应代之以涡旋电场场强的环流表达式；对静磁

3、场的环路定律则引入了位移电流的概念后进行了修改，这样，就得出了适用于交变电磁场的麦克斯韦方程组。（2）式的意义是：单位正电荷沿闭合回路移动一周时，交变的涡旋电场所作的功等于回路中产生的感应电动势。（4）式中的为位移电流。（1）（2）（3）（4）微分形式的麦克斯韦方程组为方便地求解电磁场的某一场量，实际中常使用麦克斯韦方程组的微分形式。是电荷分布的体密度，j是传导电流密度。从积分式变换到微分式依据的数学定理，可参见课本后的附录。物质方程麦克斯韦方程组中共出现两个电场量E、D和两个磁场量B、H。其中的E、B是基本量，D、H是辅助量。对应的基本量与辅助量的关系取决于电磁

4、场所在的物质。在各向同性物质中，有以下关系成立：导电物质中，还有的关系。为电导率。以上三式合称为物质方程。麦克斯韦方程组与物质方程结合，构成一组完整的反映电磁场普遍规律的方程组。为介质的介电系数为介质的磁导率电磁场的传播用麦克斯韦电磁理论的基本概念，可以将电场和磁场的相互关系表述为：空间某区域内有变化的电场，则在临近的区域内印起变化的磁场；这个变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化的电场，并在更远的区域内引起新的变化的磁场。这个过程持续地继续下去，变化的电场和变化的磁场交替产生，构成统一的电磁场。在这种交替产生过程中，电磁场由近及远、以有限的速度在空间内传播，

5、形成电磁波。电磁场的波动方程由麦克斯韦方程组可导出关于电场基本量E和磁场基本量B的两个偏微分方程，从而证明电磁场的波动性。为简化讨论，假设所讨论的空间为无限大且充满各向同性的均匀介质，故、均为常数；又设讨论的区域远离辐射源，因此=0，j=0。§2电磁场的波动性在此条件下，麦克斯韦方程组简化为取第三式的旋度将（4）式代入上式右侧由场论公式，上式左侧可变为由相似的数学运算可得到关于B的方程两方程变为这两个偏微分方程称波动方程，它们的解为各种波动，这表明电场和磁场是以波动的形式在空间传播的，传播速度为v。电磁波电磁波的速度电磁波在介质中的传播速度取决于介质的介电常数

6、和磁导率，关系式为：当电磁波在真空中传播时，速度为c电磁波谱电磁波包含许多波长成分，除了我们熟知的无线电波和光波以外，还包括X射线、射线等。按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列成，称为电磁波谱，如图1－3所示。介质的绝对折射率电磁波在真空中的速度与在介质中的速度是不等的。为了描述不同介质中电磁波传播特性的差异，定义了介质的绝对折射率：代入c、v各自的表达式，有本节根据波动的两个偏微分方程，结合边界条件、初始条件，得出其中的平面波解－平面波的波函数。一沿某一坐标轴方向传播的平面波所谓平面波，是指电场和磁场在垂直于传播方向的平面内各点具有相同值的波。设平面波沿三维坐标

7、系的Z轴正向传播，如图1－4所示。产生平面波的电磁场波动方程简化为引入中间变量对方程化简，令§3平面电磁波对（1）式代换变量，得因此（1）式化简为平面简谐波（3）（4）式是平面简谐波的波函数，即我们认定研究的电磁波为平面简谐波。波函数中各因子的意义定义某一时刻位相相同的各点所形成的包络面为波面。分析位相因子可知：在任意时刻t时，位相相同的各点必有同一z值，即各点位于同一垂直于z轴的平面内，波面为一平面，故（3）、（4）式所表示的波为平面简谐波。波函数的多种表达形式（1）（2）就一般情况而言，平面电磁波可沿空间任意方向传播，因此需要写出在一般情况下的波函数。如图1