物理光学与应用光学——第1章

发布于:2021-09-24 02:13:49

本章内容 1.1 光波的特性 1.2 光波在介质界面上的反射和折射 1.3 光波在金属表面上的反射和折射 1.1 光波的特性 主要内容 1.1.1 光电磁波及Maxwell方程组 1.1.2 几种特殊形式的光波 1.1.3 光波场的时域频率谱 1.1.4 相速度和群速度 1.1.5 光波的横波性、偏振态 1.1.1 光电磁波及Maxwell电磁方程 1. 电磁波谱 可见光 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 波长 10?14m 0.1nm 1nm 10nm 100nm 1?m 10?m 100?m 1mm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km Cosmic rays ?-rays X-rays ? ? ? Ultrviolet 1017 1016 1015 1014 Infra-red 1013 1012 Microwave 1011 1010 109 Radio waves 108 107 106 Longwaves ? ? ? ? ? ? 频率(Hz) 1021 1018 光谱区域 红外线(1 mm~0.76 μm) 远红外 1 mm~20 μm 中红外 20 μm~1.5 μm *红外 1.5 μm~0.76 μm 红 色 760 nm~650 nm 橙 色 650 nm~590 nm 黄 色 590 nm~570 nm 绿 色 570 nm~490 nm 青 色 490 nm~460 nm 蓝 色 460 nm~430 nm 紫 色 430 nm~380 nm 可见光(760 nm~380 nm) *紫外 380 nm~300 nm 紫外线(400 nm~10 nm) 中紫外 300 nm~200 nm 真空紫外 200 nm~10 nm 2. Maxwell's equations ? 麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说 的核心思想是: 变化的磁场可以激发涡旋电场, 变化的电场可以激发涡旋磁场; 电场和磁场不是彼此孤立的,它们相互联 系、相互激发组成一个统一的电磁场(也 是电磁波的形成原理)。 2. Maxwell's equations ? 从麦克斯韦方程组,可以推论出光波是电 磁波。 麦克斯韦方程组和洛伦兹力方程是经典电 磁学的基础方程。 从这些基础方程的相关理论,发展出现代 的电力科技与电子科技。 ? 麦克斯韦1865年提出的最初形式的方程组 由20个等式和20个变量组成。 2. Maxwell's equations ? 麦克斯韦方程组的地位: ? 麦克斯韦方程组在电磁学中的地位,如同 牛顿运动定律在力学中的地位一样。 以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论,是 经典物理学最引以自豪的成就之一。 ? 它所揭示出的电磁相互作用的完美统一, 为物理学家树立了这样一种信念:物质的 各种相互作用在更高层次上应该是统一的 。 1.1.1 光电磁波及Maxwell电磁方程 2. Maxwell's equations ? ?? D ? ? ? ??B ? 0 ? ? ?B ?? E ? ? ?t (1.1-1) (1.1-2) (1.1-3) (1.1-4) 麦克斯韦-安培定律———变化的电场激发磁场 电荷产生电场的高斯定理 高斯磁定律—描述磁场 法拉第电磁感应定律 ? ? ?D ? ?? H ? ?J ?t 高斯定理 ? 高斯定理反映了静电场是有源场这一特性 ? 电场强度对任意封闭曲面的通量只取决于 该封闭曲面内电荷的代数和,与曲面内电 荷的分布情况无关,与封闭曲面外的电荷 亦无关。 高斯磁定律—描述磁场 ? 在磁场中,由于自然界中没有单独的磁极存在,N极和 S极是不能分离的,磁感线都是无头无尾的闭合线,所 以通过任何闭合面的磁通量必等于零。 ? 由于磁力线总是闭合曲线,因此任何一条进入一个闭 合曲面的磁力线必定会从曲面内部出来,否则这条磁 力线就不会闭合起来了。如果对于一个闭合曲面,定 义向外为正法线的指向,则进入曲面的磁通量为负, 出来的磁通量为正,那么就可以得到通过一个闭合曲 面的总磁通量为0 法拉第电磁感应定律 ? 在没有自由电荷的空间,由变化磁场激发 的涡旋电场的电场线是一系列的闭合曲线 ? 麦克斯韦提出的涡旋电场的概念,揭示出 变化的磁场可以在空间激发电场,并通过 法拉第电磁感应定律得出了二者的关系, 上式表明,任何随时间而变化的磁场,都 是和涡旋电场联系在一起的。 麦克斯韦-安培定律—变化的电场激发磁场 ? 变化的电场产生的磁场和传导电流产生的磁场相同 ,都是涡旋状的场,磁感线是闭合线。因此,磁场 的高斯定理仍适用。 ? 麦克斯韦提出的位移电流的概念,揭示出变化的电 场可以在空间激发磁场,并通过全电流概念的引入 ,得到了一般形式下的安培环路定理在真空或介质 中的表示形式,上式表明,任何随时间而变化的电 场,都是和磁场联系在一起的。 2. Maxwell's equations ? 描述电荷如何产生电场的高斯定律 ? 描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应 定律 ? 论述磁单极子不存在的高斯磁定律 ? 描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克 斯韦-安培定律 2. Maxwell's equations 1.1.1 光电磁波及Maxwell电磁方程 3. 物质方程 各向同性介质 ? ? ? D ? ?E ? ? 0? r E ? ? ? B ? ?H ? ?0 ?r H ? ? J ? ?E ? ? ? D ?? ?E (1.1-5) (1.1-6) (1.1-7) 各向异性介质 ? ? ? B???H ? ? J ? ?E 说明:物质的不同决定了物质特性的不同 1.1.1 光电磁波及Maxwell电磁方程 4. 波动方程 无源空间 ? J ? 0, ? = 0 (1.1-8) (1.1-9) (1.1-10) (1.1-11) ? ?? D ? 0 ? ??B ? 0 ? ?

相关推荐