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文檔簡介

1.1光的電磁理論1.1.1麥克斯韋方程組1.1.2電磁波與光波1.1.3光波在各向同性介質(zhì)中傳播速度及折射率1.1.4電磁波的橫波性1.1.5光波的能量分布-光強(qiáng)1.1.6光源1.1.7單色光波及其描述返回第1章12/24/2022第1章光的干涉1.1光的電磁理論1.1.1麥克斯韋方程組返回第1章1211.1.1麥克斯韋方程組其中返回方程(2)隨時(shí)間變化的磁場將激發(fā)渦旋電場;方程(4)隨時(shí)間變化的電場將激發(fā)渦旋磁場;12/24/2022第1章光的干涉1.1.1麥克斯韋方程組其中返回方程(2)隨時(shí)間變化的磁21.1.2電磁波與光波電磁波波動方程可見電磁波包括電場波和磁場波;兩種波具有相同的速度真空中波速為光波:是某一波段的電磁波變化電場/磁場變化磁場/電場電磁波12/24/2022第1章光的干涉1.1.2電磁波與光波電磁波波動方程可見電磁波包括電場波和3電磁波譜返回12/24/2022第1章光的干涉電磁波譜返回12/19/2022第1章光的干涉4光波是某一波段的電磁波紫外光:5--400nm:1015—1017hz人眼不可見,可用熒光屏、照相乳膠、光電管來探測,能量高,殺菌力、穿透力強(qiáng)??梢姽?390—760nm:7.5×1014-4.1×1015hz人眼可見??梢姽獾念伾?人眼對光的感覺)與光的頻率(或真空中的波長)有關(guān),光的顏色與頻率的對應(yīng)關(guān)系。紅外光:760—6*1015nm:1012—1014hz人眼不可見,有顯著的熱效應(yīng),可用紅外光電器件顯示紅外圖象(夜視儀),也是光纖通訊的窗口波段。光譜光強(qiáng)隨波長的分布,不同光源有不同的光譜。借助于光譜可對物質(zhì)進(jìn)行成分分析。返回12/24/2022第1章光的干涉光波是某一波段的電磁波紫外光:5--400nm:5光的顏色與頻率的對應(yīng)關(guān)系顏色中心頻率/Hz中心波長/nm波長范圍/nm紅4.5×1014660760-622橙4.9×1014610622-597黃5.3×1014570597-577綠5.5×1014550577-492青6.5×1014460492-450藍(lán)6.8×1014440450-435紫7.3×1014410435-39012/24/2022第1章光的干涉光的顏色與頻率的對應(yīng)關(guān)系顏色中心頻率/Hz中心波長/nm波61.1.3光波在各向同性介質(zhì)中傳播速度及折射率返回光在各向同性介質(zhì)中的傳播速度-相速:相位面移動的速度,與介質(zhì)的折射率有關(guān)--變慢。rr與光的頻率、介質(zhì)的種類有關(guān)。光在介質(zhì)中的折射率大于1,也有小于1???光在介質(zhì)中的頻率與周期

保持不變,與振源相同光在介質(zhì)中的波長與介質(zhì)的折射率有關(guān)--變短。

12/24/2022第1章光的干涉1.1.3光波在各向同性介質(zhì)中傳播速度及折射率返回光在各向71.1.4電磁波的橫波性電磁波是橫波由麥克斯韋方程出發(fā)可以證明,E矢量、H矢量、都和傳播方向K垂直。返回光學(xué)中用電場波來表示光波,E稱為光矢量就能量的傳輸而言,光波中的電場E和磁場H是同等重要的。實(shí)驗(yàn)證明,光與物質(zhì)相互作用時(shí),電場具有直接作用。引起眼睛視覺效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng)(感光)光對導(dǎo)體的作用(對電子作用)12/24/2022第1章光的干涉1.1.4電磁波的橫波性電磁波是橫波返回光學(xué)中用電場波來表8光強(qiáng)I-玻印亭矢量的大小光強(qiáng)I與光矢量E的平方成正比;由于光的頻率極高,對光信號的測量,一般探測器只能測量到測量時(shí)間內(nèi)的平均值。<I>-A2波動光學(xué)中主要討論光波的相對強(qiáng)度,常將光矢量振幅的平方稱為光強(qiáng)。I=A21.1.5光波的能量分布-光強(qiáng)返回電磁波的能量密度電磁場中單位體積內(nèi)電磁場的能量電磁波的能流密度-玻印亭矢量單位時(shí)間內(nèi)通過與波的傳播方向垂直的單位面積的能量。12/24/2022第1章光的干涉光強(qiáng)I-玻印亭矢量的大小1.1.5光波的能量分布-光強(qiáng)91.1.6光源原子能級及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射光波波列長L=c2.普通光源:自發(fā)輻射(隨機(jī)、獨(dú)立)不相干(不同原子發(fā)的光)不相干(同一原子先后發(fā)的光)∴∵光源的最基本發(fā)光單元是分子或原子。3.激光光源:受激輻射返回●E2E1●●h21h21相干●●h21光輻射持續(xù)時(shí)間τ-10-8s12/24/2022第1章光的干涉1.1.6光源原子能級及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射光波波101.1.7單色光波及其描述光波是電磁波,可以用描述電磁波波函數(shù)來描述光波的各種形態(tài),這些波函數(shù)是滿足一定邊界條件下的麥克斯韋方程的解。在光學(xué)中常遇到的單色平面光波和單色球面光波(理想模型),可以看作是方程的特解,任何形式的光波(實(shí)際)都可以看作是這些特解的某種線性組合。什么是單色光波?單色光波的物理描述光波的圖像描述返回12/24/2022第1章光的干涉1.1.7單色光波及其描述光波是電磁波,可以用描述電磁波波11什么是單色光波?單色光波:具有單一頻率的光波。嚴(yán)格的單色光波必須滿足下面四個(gè)條件空間各點(diǎn)電、磁場矢量以單一的頻率作簡諧振動;空間各點(diǎn)的光波振幅不隨時(shí)間變化,形成一個(gè)穩(wěn)定的振幅空間分布;初始位相的空間分布與時(shí)間無關(guān);光波的波列在空間上無限延伸、光源發(fā)光時(shí)間無限長。若波列是有限長的,則它在行進(jìn)過程中,空間各點(diǎn)的振幅、位相分布必定會隨時(shí)間變化;若光源發(fā)光時(shí)間是有限的,則所發(fā)波列經(jīng)傅里葉變換后可發(fā)現(xiàn),這列光波可以看作是由不同頻率的、無限長的平面單色光波的線性組合而成的。繼續(xù)12/24/2022第1章光的干涉什么是單色光波?單色光波:具有單一頻率的光波。繼續(xù)12/1912繼續(xù)討論嚴(yán)格的單色光波是不存在。任何光源的發(fā)光過程總是有限的;從微觀角度看,發(fā)光過程是斷斷續(xù)續(xù)的;當(dāng)波列的持續(xù)時(shí)間比擾動的周期長得多時(shí),可以將該波列當(dāng)作單色光波來處理;返回任何復(fù)色光波(一個(gè)中心波長λ0和一定寬帶Δλ)都是由單色光波組合而成的。λ0ΔλII0I0/2λ譜線寬度越小,單色性越好;譜線寬度與原子的發(fā)光持續(xù)時(shí)間、原子間碰撞及原子熱運(yùn)動等有關(guān)。12/24/2022第1章光的干涉繼續(xù)討論嚴(yán)格的單色光波是不存在。返回任何復(fù)色光波(一個(gè)中心波13單色光波的物理描述(附錄1.2)單色光波平面單色光波--最簡單、最基本、最重要就是平面簡諧電磁波;任何光波都可以看成為不同頻率、不同方向傳播的平面單色光波的疊加;一列沿k方向傳播的平面光波可用下列波函數(shù)表示(三角函數(shù))繼續(xù)一列沿z軸正方向傳播的平面單色光波可用下列波函數(shù)表示(復(fù)振幅)12/24/2022第1章光的干涉單色光波的物理描述(附錄1.2)單色光波一列沿k方向傳播的平14繼續(xù)討論單色球面光波較簡單且重要;從點(diǎn)光源發(fā)出的光波在均勻各向同性介質(zhì)中傳播時(shí),就形成球面波;從點(diǎn)光源向四面?zhèn)鞑?發(fā)散)的單色球面光波可用下列波函數(shù)(三角函數(shù))表示返回匯聚單色球面光波可用下列波函數(shù)(三角函數(shù))表示(復(fù)振幅)(復(fù)振幅)12/24/2022第1章光的干涉繼續(xù)討論單色球面光波返回匯聚單色球面光波可用下列波函數(shù)(三角15光波的圖像描述--幾何描述波面(波陣面的簡稱)也稱等位相面,是光振動位相相等的各點(diǎn)的軌跡;波面是三維空間里的曲面族,走在最前面的波面稱為“波前”。波線能量傳播的路徑兩者關(guān)系各向同性介質(zhì)中,處處正交;各向異性介質(zhì)中一般不正交。示意圖球面波平面波虛線為波面實(shí)線為波線返回12/24/2022第1章光的干涉光波的圖像描述--幾何描述波面(波陣面的簡稱)示意圖161.1光的電磁理論1.1.1麥克斯韋方程組1.1.2電磁波與光波1.1.3光波在各向同性介質(zhì)中傳播速度及折射率1.1.4電磁波的橫波性1.1.5光波的能量分布-光強(qiáng)1.1.6光源1.1.7單色光波及其描述返回第1章12/24/2022第1章光的干涉1.1光的電磁理論1.1.1麥克斯韋方程組返回第1章12171.1.1麥克斯韋方程組其中返回方程(2)隨時(shí)間變化的磁場將激發(fā)渦旋電場;方程(4)隨時(shí)間變化的電場將激發(fā)渦旋磁場;12/24/2022第1章光的干涉1.1.1麥克斯韋方程組其中返回方程(2)隨時(shí)間變化的磁181.1.2電磁波與光波電磁波波動方程可見電磁波包括電場波和磁場波;兩種波具有相同的速度真空中波速為光波:是某一波段的電磁波變化電場/磁場變化磁場/電場電磁波12/24/2022第1章光的干涉1.1.2電磁波與光波電磁波波動方程可見電磁波包括電場波和19電磁波譜返回12/24/2022第1章光的干涉電磁波譜返回12/19/2022第1章光的干涉20光波是某一波段的電磁波紫外光:5--400nm:1015—1017hz人眼不可見,可用熒光屏、照相乳膠、光電管來探測,能量高,殺菌力、穿透力強(qiáng)??梢姽?390—760nm:7.5×1014-4.1×1015hz人眼可見??梢姽獾念伾?人眼對光的感覺)與光的頻率(或真空中的波長)有關(guān),光的顏色與頻率的對應(yīng)關(guān)系。紅外光:760—6*1015nm:1012—1014hz人眼不可見,有顯著的熱效應(yīng),可用紅外光電器件顯示紅外圖象(夜視儀),也是光纖通訊的窗口波段。光譜光強(qiáng)隨波長的分布,不同光源有不同的光譜。借助于光譜可對物質(zhì)進(jìn)行成分分析。返回12/24/2022第1章光的干涉光波是某一波段的電磁波紫外光:5--400nm:21光的顏色與頻率的對應(yīng)關(guān)系顏色中心頻率/Hz中心波長/nm波長范圍/nm紅4.5×1014660760-622橙4.9×1014610622-597黃5.3×1014570597-577綠5.5×1014550577-492青6.5×1014460492-450藍(lán)6.8×1014440450-435紫7.3×1014410435-39012/24/2022第1章光的干涉光的顏色與頻率的對應(yīng)關(guān)系顏色中心頻率/Hz中心波長/nm波221.1.3光波在各向同性介質(zhì)中傳播速度及折射率返回光在各向同性介質(zhì)中的傳播速度-相速:相位面移動的速度,與介質(zhì)的折射率有關(guān)--變慢。rr與光的頻率、介質(zhì)的種類有關(guān)。光在介質(zhì)中的折射率大于1,也有小于1???光在介質(zhì)中的頻率與周期

保持不變,與振源相同光在介質(zhì)中的波長與介質(zhì)的折射率有關(guān)--變短。

12/24/2022第1章光的干涉1.1.3光波在各向同性介質(zhì)中傳播速度及折射率返回光在各向231.1.4電磁波的橫波性電磁波是橫波由麥克斯韋方程出發(fā)可以證明,E矢量、H矢量、都和傳播方向K垂直。返回光學(xué)中用電場波來表示光波,E稱為光矢量就能量的傳輸而言,光波中的電場E和磁場H是同等重要的。實(shí)驗(yàn)證明,光與物質(zhì)相互作用時(shí),電場具有直接作用。引起眼睛視覺效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng)(感光)光對導(dǎo)體的作用(對電子作用)12/24/2022第1章光的干涉1.1.4電磁波的橫波性電磁波是橫波返回光學(xué)中用電場波來表24光強(qiáng)I-玻印亭矢量的大小光強(qiáng)I與光矢量E的平方成正比;由于光的頻率極高,對光信號的測量,一般探測器只能測量到測量時(shí)間內(nèi)的平均值。<I>-A2波動光學(xué)中主要討論光波的相對強(qiáng)度,常將光矢量振幅的平方稱為光強(qiáng)。I=A21.1.5光波的能量分布-光強(qiáng)返回電磁波的能量密度電磁場中單位體積內(nèi)電磁場的能量電磁波的能流密度-玻印亭矢量單位時(shí)間內(nèi)通過與波的傳播方向垂直的單位面積的能量。12/24/2022第1章光的干涉光強(qiáng)I-玻印亭矢量的大小1.1.5光波的能量分布-光強(qiáng)251.1.6光源原子能級及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射光波波列長L=c2.普通光源:自發(fā)輻射(隨機(jī)、獨(dú)立)不相干(不同原子發(fā)的光)不相干(同一原子先后發(fā)的光)∴∵光源的最基本發(fā)光單元是分子或原子。3.激光光源:受激輻射返回●E2E1●●h21h21相干●●h21光輻射持續(xù)時(shí)間τ-10-8s12/24/2022第1章光的干涉1.1.6光源原子能級及發(fā)光躍遷基態(tài)激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射光波波261.1.7單色光波及其描述光波是電磁波,可以用描述電磁波波函數(shù)來描述光波的各種形態(tài),這些波函數(shù)是滿足一定邊界條件下的麥克斯韋方程的解。在光學(xué)中常遇到的單色平面光波和單色球面光波(理想模型),可以看作是方程的特解,任何形式的光波(實(shí)際)都可以看作是這些特解的某種線性組合。什么是單色光波?單色光波的物理描述光波的圖像描述返回12/24/2022第1章光的干涉1.1.7單色光波及其描述光波是電磁波,可以用描述電磁波波27什么是單色光波?單色光波:具有單一頻率的光波。嚴(yán)格的單色光波必須滿足下面四個(gè)條件空間各點(diǎn)電、磁場矢量以單一的頻率作簡諧振動;空間各點(diǎn)的光波振幅不隨時(shí)間變化,形成一個(gè)穩(wěn)定的振幅空間分布;初始位相的空間分布與時(shí)間無關(guān);光波的波列在空間上無限延伸、光源發(fā)光時(shí)間無限長。若波列是有限長的,則它在行進(jìn)過程中,空間各點(diǎn)的振幅、位相分布必定會隨時(shí)間變化;若光源發(fā)光時(shí)間是有限的,則所發(fā)波列經(jīng)傅里葉變換后可發(fā)現(xiàn),這列光波可以看作是由不同頻率的、無限長的平面單色光波的線性組合而成的。繼續(xù)12/24/2022第1章光的干涉什么是單色光波?單色光波:具有單一頻率的光波。繼續(xù)12/1928繼續(xù)討論嚴(yán)格的單色光波是不存在。任何光源的發(fā)光過程總是有限的;從微觀角度看,發(fā)光過程是斷斷續(xù)續(xù)的;當(dāng)波列的持續(xù)時(shí)間比擾動的周期長得多時(shí),可以將該波列當(dāng)作單色光波來處理;返回任何復(fù)色光波(一個(gè)中心波長λ0和一定寬帶Δλ)都是由單色光波組合而成的。λ0ΔλII0I0/2λ譜線寬度越小

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