《光波的传输》PPT课件

《《光波的传输》PPT课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第三章光波的传输13.1光波在各向同性介质中的传播3.1.1单色平面波的复数表达式单色平面波是指电场强度E和磁场强度H都以单一频率随时间作正弦变化（简谐振动）而传播的波。在任意方向上传播的平面电磁波的复数表达式为：式中，Φ0为初相位，K为矢量(简称波矢)，K的方向即表示波的传播方向，k的大小，表示波在介质中的波数。上式中，指数前取正或负是无关紧要的，按我们的表示法，指数上的正相位代表相位超前，负相位代表相位落后。矢径r表示空间各点的位置，如图所示。2沿空间任意方向传播的平面波xyzrkαβγp(x,y,z)3E0-E0E0E0-E0E0E0E0-E0-E0波峰波谷kk单色

2、平面波4单色平面波的复数表达式时空分离其中5单色平面波复振幅的复数表达式令初相位Φ0＝0，上式可写为：传播方向与z方向一致时6单色平面波复振幅的复数表达式7单色球面波平面波只是亥姆霍兹方程是一种最简单的解，对于二阶线性偏微分方程式，可以分别求出E和H的多种形式的解。另一种最简单的解或最简单的波是球面波，即在以波源为中心的球面上有相同的场强，而且场强变化沿径向传播的波。这种波的场强分布只与离波源的距离r和时间t有关，而与传播方向无关。因此，当以标量波考虑时，亥姆霍兹方程的球面波解可以写为如下形式：E=E(r)8简谐波是波动方程的解，有两类重要的基本解，即平面波和球面波。点光

3、源发出的光波可认为是球面波。可得球面波采用球面坐标系。把球心取作坐标系的原点，则k与r的方向永远相同，E的大小只与半径r及时间t有关，所以可写成E=E（r，t），把它代入单色球面波9单色球面波的推导选取波源位于直角坐标源点，则有：10亥姆霍兹方程11单色球面波的推导12单色球面波的推导Φ0=013单色球面波（3.10）式即为单色球面波的表达式，因为时间因子是可分离变量，且在讨论空间某一点的光振动时，时间因子总是相同的，所以常常略去不写。讨论中经常用的是单色球面波的复振幅表达式(3.11)式。(3.11)式中，E0为一常数，表示在单位半径(r=1)的波面上的振幅。E0/r表

4、示球面波的振幅，它与传播r成反比。从能量守恒原理不难理解这一结果。14波峰波谷kk单色球面波153.1.2平面电磁波场中能量的传播1能流密度——坡印廷(Poynting)矢量2平均能流密度——光强度163.1.2平面电磁波场中能量的传播电磁场是一种物质，它具有能量。在一定区域内电磁场发生变化时，其能量也随着变化。能量按一定方式分布于场内，由于是运动着的，场能量也随着场的运动而在空间传播。描述电磁场能量的两个物理量：能量密度w表示场内单位体积的能量，是空间位置x和时间t的函数，w=w(x,t)；能流密度S描述能量在场内的传播，S在数值上等于单位时间内垂直流过单位横截面的能量

5、，其方向代表能量传播的方向。173.1.2平面电磁波场中能量的传播光强是和电磁场的能流有关的物理量。电磁波的能量守恒表现为单位时间内流出（入）闭合体积的电磁波能量等于单位时间内闭合体积内的能量减少（增多）。一、电磁波的能量密度w表示场内单位体积的能量，是空间位置x和时间t的函数，w=w(x,t)；电场能量与磁场能量体密度分别为：电磁场能量体密度为：18二、坡印廷矢量它表示电磁场的能量的传播，即垂直通过单位面积的功率。其大小代表电磁波波强，这里指光强(intensityoflight)。其方向为光能量传播的方向。S辐射强度（能流密度）单位时间内，通过垂直于波的传播方向的单位

6、面积的辐射能。19考虑到：=EHSw=v=E12με2H12+()εμ12εμ=v1，EHεμ==2εμ1EHεμEHεμ()+=2εμ1EHεμEHεμ()+20坡印廷矢量(poyntingvector)S=EH+SEHEHεμ=在各向同性介质中坡印廷矢量S的方向与光波矢量k的方向（相位传播方向）一致。但在各向异性介质中，二者的方向不同。S=EH213.1.2平面电磁波场中能量的传播电矢量E与磁矢量H互相垂直于波矢方向K，与(3.21)式比较可知，在各向同性介质中，波矢(波面法本)方向K与能流方向(光线方向)S是一致的，波速(相速V)也就是能流速度。能流密度S和能量密度

7、变化率()的表示式:223.1.2平面电磁波场中能量的传播2.光强度光波属高频电磁波，其频率为V≈1015Hz数量级，即其振动的时间周期为T=10-15s数量级。人眼的响应能力最小可达Δt≈10-1s，感光胶片Δt≈10-8s，而目前最好的光电探测器的时间响应能力也跟不上。我们需要了解的是同一波场中不同空间位置的能流的强弱，则不必考虑瞬时能流值，而只需求能流对时间的平均值以突出其空间分布。光强度：即接收器观测到光波在一个比振动周期大得多的观测时间内的平均能流密度。23坡印廷矢量的大小，即光在介质中传播的（瞬时光强）为若用复指数