【精品】物理光学PPT课件(完整版)

2. 物质方程
D E
H
B
J E
式中，
为介电常数，描述
媒质的电学性质， 是真空中介电
常数，
是相对介电常数;
为
介质磁导率，描述媒质的磁学性质，
是真空中磁导率
，
是相对磁导率；σ为电导率，描述
媒质的导电特性, 真空中σ＝0。
3. 电磁场的波动性
麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律， 指出随时间变化的电场将在周围空间产生变化的 磁场，随时间变化的磁场将在周围空间产生变化 的电场，变化的电场和磁场之间相互联系，相互 激发，并且以一定速度向周围空间传播。因此， 时变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播 的电磁波。
物理光学
绪论
1. 物理光学的研究对象和内容
光学是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作 用的学科。
光学
几何光学 物理光学 现代光学
波动光学 量子光学
几何光学：基于“光直线传播”的概念讨论光的传播规律 几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）。
是光波衍射规律的短波近似。
它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。
• 基本问题：在各种条件下的传播问题。 • 基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。 • 波前：原为等相面，现泛指波场中的 任一曲面，
更多的是指一个平面。
• 主要方法：如何描述、识别、分解、改造、记录 和再现波前，构成了波动光学的主要方法。
量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。
• 把光视为一个个分立的粒子（光子）,它主要用于 分析辐射、光发射以及光与物质的相互作用。
3. 波粒二相性
第一章 光波的基本性质
1.1 光的电磁理论基础
光的电磁理论的提出是人们在电磁学 方面已有了深入研究的结果。1864年麦克 斯韦把电磁规律总结为麦克斯韦方程组， 建立起完整的经典电磁理论，同时指出光 也是一种电磁波，从而产生了光的电磁理 论。到目前为止，它仍然是阐明大多数光 学现象以及掌握现代光学的一个重要基础。
几何光学主要是从直线传播，折射、反射定律等实 验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题。
波动光学：研究光的波动性（电磁波）的学科。 主要内容有光的干涉、衍射、偏振，光在各向同性介 质中的传播规律及光在各向异性介质中的传播规律。
• 研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）以及用波 动理论对光与物质相互作用进行描述的学科。
n c
r r
除铁磁性介质外，大多数介质的磁性都很弱，可以认为μr≈1。 因此， 折射率可表示为
n r
此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质，εr或n都是频率的函数， 具体的函数关系取决于介质的结构。
电磁波谱
自从19世纪人们证实了光是一种电磁波后，又经过 大量的实验，进一步证实了X射线、γ射线也都是电磁 波。它们的电磁特性相同，只是频率(或波长)不同而 已。如果按其频率(或波长)的次序排列成谱，称为电 磁波谱，如表1-1所示。通常所说的光学区域(或光学 频谱)包括红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极 高(1012~1016Hz)，数值很大，使用起来很不方便， 所 以采用波长表征，光谱区域的波长范围约从1 mm到 10 nm。 人们习惯上将红外线、可见光和紫外线又细 分为：
同理可得：
2H
2H t 2
0
一维情况下：
2E z 2
2E t 2
若令 ：
1
可将以上两式变化为：
2E
1
2
2E t 2
Hale Waihona Puke Baidu
0
2H
1
2
2H t 2
0
此即为交变电磁场所满足的典型的波动方程，它说明了交变电 场和磁场是以速度v传播的电磁波动。由此可得光电磁波在真空 中的传播速度为 ：
为表征光在介质中传播的快慢， 引入折射率：
• 薄膜光学的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技 术的发展；
• 傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍 射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光 学变换过程，形成了光学信息处理的内容．
• 集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学 领域；
• 非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介质已不 满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频,混 频,自聚焦等;
1. 麦克斯韦方程组和物质方程
1). 积分形式的麦克斯韦方程组
E dl C
A
B t
ds
AD ds V dv
AB ds 0
H dl C
(J
A
D t
)
ds
2). 微分形式的麦克斯韦方程组
E
B
t
D
B 0
H
J
D
t
由麦克斯韦方程组可
知：不仅电荷和电流是 产生电磁场的源，而且 时变电场和时变磁场互 相激励，因此，时变电 场和时变磁场构成了不 可分割的统一整体—— 电磁场。
近紫外 380 nm~300 nm 紫外线(400 nm~10 nm) 中紫外 300 nm~200 nm
讨论无限扩展的均匀、各向同性、透明、无源的媒质
E
B
B
t E
t
E 0
B 0
将上页第二式两端对时间求导并交换左端的求导次序，得：
将上页第一式代入上式，并考虑到：
( E) ( E) 2E
得到：
2E
2E t 2
注释：
a (b c ) (a c )b (a b )c
远红外 1 mm~20 μm 红外线(1 mm~0.76 μm) 中红外 20 μm~1.5 μm
近红外 1.5 μm~0.76 μm
可见光(760 nm~380 nm)
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
• 对光导纤维的研究形成了光纤光学或导波光学; • 导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅
速发展和应用,成为人类在20世纪最重要的科技成就; • 非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术的结合
可能会导致新一代计算机—光计算机的诞生.
2. 物理光学的应用
测控，通信，医疗，信息处理，光学设计。
• 在这领域内有时可用经典理论，有时需用量子理 论。对于这类原不属于传统光学的内容，有人冠 之以“量子光学”名称，也有人把它们仍归于物 理光学之内。
现代光学： 20世纪后半期发展起来的光学体系 。
• 1948年全息术的提出，1955年光学传递函数的建 立，1960年激光的诞生为其发展中的三件大事。