物理光學(xué)1-1.ppt

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1、1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)§1.1光的波動(dòng)性質(zhì)*§1.2光波的函數(shù)表述*§1.3光的偏振態(tài)§1.4實(shí)際光波與理想光波*§1.5光在介質(zhì)界面的反射與折射第1章波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.波動(dòng)的實(shí)質(zhì)2.波動(dòng)的基本特征量3.波的類型4.縱波與橫波5.光的波動(dòng)性6.光波的電磁性質(zhì)§1.1光的波動(dòng)性質(zhì)1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)波動(dòng)：振動(dòng)狀態(tài)在空間的傳播。波動(dòng)的實(shí)質(zhì)：能量以振動(dòng)的方式在空間傳播，使空間各點(diǎn)的物理狀態(tài)呈現(xiàn)空間和時(shí)間上的周期性分布，但承擔(dān)傳播任務(wù)的物質(zhì)本身并不隨波移動(dòng)。結(jié)論：具有時(shí)空雙重周期性運(yùn)動(dòng)形式和能量的傳輸，是一切波動(dòng)的基本特性。不具備這種特性的事物，不能成為嚴(yán)格意義下的波動(dòng)。1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1.1波動(dòng)的實(shí)質(zhì)波

2、動(dòng)產(chǎn)生的條件：存在一個(gè)能夠由于外界的某種能量供給而產(chǎn)生（機(jī)械的或電磁的）振動(dòng)的波源。1.1光的波動(dòng)性質(zhì)振幅A(P)、相位f(P)、速度v；周期（時(shí)間）T、頻率（時(shí)間）n（或圓頻率w）；波長(zhǎng)（空間周期）l、波數(shù)k（空間圓頻率）。各量間相互關(guān)系：注意：②波動(dòng)的傳播速度有相速度和群速度之分?；咎卣髁浚孩俨▌?dòng)的頻率（或時(shí)間周期）僅僅與振源有關(guān)，而波長(zhǎng)（即空間周期）不僅與振源的振動(dòng)頻率有關(guān)，而且與介質(zhì)有關(guān)。1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1.2波動(dòng)的基本特征量1.1光的波動(dòng)性質(zhì)波面：波場(chǎng)中振動(dòng)相位相同的點(diǎn)的軌跡(1)波面與波線波線：表示波動(dòng)能量傳播的幾何徑跡特征：一般波面表現(xiàn)為空間三維曲面族①各向同性介質(zhì)中

3、，波線為與波面處處正交的三維曲線族；②各向異性介質(zhì)中，波線一般不與波面正交。1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1.3波的類型1.1光的波動(dòng)性質(zhì)e圖1.1-2發(fā)散球面波的波面k,r圖1.1-1平面波的波面k等相面與等幅面y,zx圖1.1-3發(fā)散柱面波的波面S'SrkP(2)平面波、球面波與柱面波平面波——波面為平面，球面波——波面為球面，柱面波——波面為圓柱面。1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1光的波動(dòng)性質(zhì)平面波對(duì)應(yīng)于無(wú)限遠(yuǎn)處理想點(diǎn)源發(fā)出的波；球面波對(duì)應(yīng)于有限遠(yuǎn)處理想點(diǎn)源發(fā)出的波；柱面波對(duì)應(yīng)無(wú)限長(zhǎng)線波源發(fā)出的波；平面波是波面曲率半徑趨于無(wú)限大時(shí)的球面波或柱面波。討論球面波和平面波問(wèn)題具有普遍意義；①任何一個(gè)波源，都可

4、以看成是由若干點(diǎn)波源組成的集合；②構(gòu)成任何復(fù)雜波面的基元是球面波或平面波。說(shuō)明：特征：1.1光波的性質(zhì)1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1.3波的類型標(biāo)量波：空間各點(diǎn)的擾動(dòng)不具有方向性的波場(chǎng)，如密度波、溫度波等；矢量波：空間各點(diǎn)的擾動(dòng)具有方向性的波場(chǎng)，如電磁波、水波等；說(shuō)明：一般情況下，矢量波要用矢量場(chǎng)理論描述.當(dāng)矢量波場(chǎng)中各點(diǎn)的擾動(dòng)具有同一方向時(shí)，可將其簡(jiǎn)化為標(biāo)量波處理。處理矢量波場(chǎng)時(shí),可以將其分解為方向不變的正交分量,便可使用標(biāo)量波理論處理。1.1光的波動(dòng)性質(zhì)1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1.3波的類型(3)標(biāo)量波與矢量波(4)定態(tài)波場(chǎng)定態(tài)波場(chǎng)——滿足下列兩個(gè)條件的波場(chǎng)：1.1.3波的類型1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1

5、光的波動(dòng)性質(zhì)①空間各點(diǎn)的擾動(dòng)是與波源同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)；②空間各點(diǎn)擾動(dòng)的振幅形成穩(wěn)定的空間分布而不隨時(shí)間變化。說(shuō)明：理想定態(tài)波場(chǎng)為無(wú)源場(chǎng)（簡(jiǎn)諧波場(chǎng)），在時(shí)間上無(wú)始無(wú)終.實(shí)際波源發(fā)出的波場(chǎng)并不是嚴(yán)格意義上的定態(tài)波場(chǎng)，當(dāng)波源發(fā)出的波列的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于波的振動(dòng)周期時(shí)，才可以將其近似看作定態(tài)波場(chǎng)。(1)縱波及其特點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向相同，振動(dòng)狀態(tài)相對(duì)于傳播方向具有軸對(duì)稱性。圖1.1-6縱波的傳播特征傳播方向振動(dòng)方向圖1.1-7橫波的傳播特征傳播方向振動(dòng)方向(2)橫波及其特點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向正交，振動(dòng)狀態(tài)相對(duì)于傳播方向不具有軸對(duì)稱性。(3)偏振振動(dòng)方向垂直于傳播方向的振動(dòng)狀態(tài)的規(guī)律性現(xiàn)象。1波動(dòng)

6、光學(xué)基礎(chǔ)1.1.4縱波與橫波1.1光的波動(dòng)性質(zhì)光具有波動(dòng)的一切特征：如頻率、波長(zhǎng)、速度、振幅、相位等，而且能在真空中傳播。1.1.6光波的電磁性質(zhì)①光波和電磁波都可在真空中傳播，且傳播速度與電磁波相同；②介質(zhì)對(duì)光波以及電磁波的折射特性同樣起因于介質(zhì)的介電性質(zhì)；③光波具有偏振性質(zhì)，是一種橫波，而電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量及磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量均正交于傳播方向，表明電磁波也是一種橫波，具有偏振性質(zhì)；④用電磁場(chǎng)理論對(duì)光的各種偏振現(xiàn)象所作的理論解釋均與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果相符合。1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1.5光的波動(dòng)性1.1光的波動(dòng)性質(zhì)光波是電磁波中的一部分760nm390nm可見(jiàn)光電磁波譜紅外線紫外線射線X射線長(zhǎng)波無(wú)線

7、電波頻率波長(zhǎng)短波無(wú)線電波1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1光的波動(dòng)性質(zhì)1.1.6光波的電磁性質(zhì)光波譜1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1光的波動(dòng)性質(zhì)1.1.6光波的電磁性質(zhì)(1)光波場(chǎng)的描述在標(biāo)量場(chǎng)近似下，光波場(chǎng)的波函數(shù)就是光波的電場(chǎng)分量函數(shù)，單色光波即簡(jiǎn)諧波對(duì)眼睛及其他光探測(cè)器有視覺(jué)反應(yīng)的，主要是光波的電場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度矢量E，故光波場(chǎng)的振動(dòng)狀態(tài)一般可由其電場(chǎng)矢量表示，簡(jiǎn)稱為光波電矢量或光矢量。1.1光的波動(dòng)性質(zhì)1波動(dòng)光學(xué)基礎(chǔ)1.1.6光波的電磁性質(zhì)式中：e0：電磁場(chǎng)在真空中的介