1、5/2/2023第1章光的干涉1.11.1光的电磁理论光的电磁理论1.1.11.1.1 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组1.1.21.1.2 电磁波与光波电磁波与光波1.1.31.1.3 光波在各向同性介质中传播速度及光波在各向同性介质中传播速度及 折射率折射率1.1.41.1.4 电磁波的横波性电磁波的横波性1.1.51.1.5 光波的能量分布光强光波的能量分布光强1.1.61.1.6 光源光源1.1.71.1.7 单色光波及其描述单色光波及其描述返回第1章5/2/2023第1章光的干涉1.1.11.1.1麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组其中其中返回)4()3(0)2()1(00tDjHBtBED0
2、00rrDEBHjE n 方程（方程（2 2）随时间变化的磁场将激发涡旋电场；）随时间变化的磁场将激发涡旋电场；n 方程（方程（4 4）随时间变化的电场将激发涡旋磁场；）随时间变化的电场将激发涡旋磁场；5/2/2023第1章光的干涉1.1.21.1.2电磁波与光波电磁波与光波n电磁波电磁波n波动方程波动方程2200222002tHHtEErrrrn可见电磁波包括电场波和可见电磁波包括电场波和磁场波；磁场波；n两种波具有相同的速度两种波具有相同的速度n真空中波速为真空中波速为rrv001smc/101074.31800n光波：是某一波段的光波：是某一波段的电磁波电磁波变化电场变化电场/磁场磁场变
3、化磁场变化磁场/电场电场电磁波电磁波5/2/2023第1章光的干涉电磁波谱电磁波谱返回5/2/2023第1章光的干涉光波是某一波段的电磁波光波是某一波段的电磁波n紫外光紫外光 :5-400nm :5-400nm :10:10151510101717hz hz 人眼不可见，人眼不可见，可用荧光屏、照相乳胶、光电管来探测，能量高，杀可用荧光屏、照相乳胶、光电管来探测，能量高，杀菌力、穿透力强。菌力、穿透力强。n可见光可见光:390:390760nm 760nm :7.5:7.510101414-4.1-4.110101515hz hz 人眼可见。可见光的颜色人眼可见。可见光的颜色(人眼对光的感觉人
4、眼对光的感觉)与光的频与光的频率率(或真空中的波长或真空中的波长)有关，有关，光的颜色与频率的对应关光的颜色与频率的对应关系系。n红外光红外光 :760:7606 6*10101515nm nm :10:10121210101414hz hz 人眼不人眼不可见，有显著的热效应，可用红外光电器件显示红外可见，有显著的热效应，可用红外光电器件显示红外图象（夜视仪），也是光纤通讯的窗口波段。图象（夜视仪），也是光纤通讯的窗口波段。n光谱光谱光强随波长的分布，不同光源有不同的光谱。光强随波长的分布，不同光源有不同的光谱。借助于光谱可对物质进行成分分析。借助于光谱可对物质进行成分分析。返回5/2/202
5、3第1章光的干涉光的颜色与频率的对应关系光的颜色与频率的对应关系 颜色颜色中心频率中心频率/Hz/Hz中心波长中心波长/nm/nm波长范围波长范围/nm /nm 红红4.54.510101414660660760-622760-622橙橙4.94.910101414610610622-597622-597黄黄5.35.310101414570570597-577597-577绿绿5.55.510101414550550577-492577-492青青6.56.510101414460460492-450492-450蓝蓝6.86.810101414440440450-435450-435紫紫7
6、.37.310101414410410435-390435-3905/2/2023第1章光的干涉1.1.31.1.3光波在各向同性介质中传播速度及折射率光波在各向同性介质中传播速度及折射率返回n光在各向同性介质中的传播光在各向同性介质中的传播速度速度 相速：相位面移动的速度，与介质的折射率有关相速：相位面移动的速度，与介质的折射率有关-变慢。变慢。rrrrcv001n r r与光的频率、与光的频率、介质的种类有关。介质的种类有关。n光在介质中的光在介质中的折射率折射率 大于大于1，也有小于，也有小于1？rrrvcnn光在介质中的光在介质中的频率与周期频率与周期保持不变，与振源相同保持不变，与振
7、源相同n光在介质中的光在介质中的波长波长 与介质的折射率有关与介质的折射率有关-变短。变短。nTncTvTvTc00,5/2/2023第1章光的干涉1.1.41.1.4电磁波的横波性电磁波的横波性n电磁波是横波电磁波是横波n由麦克斯韦方程出发由麦克斯韦方程出发可以证明，可以证明，E E矢量、矢量、H H矢量、都和传播方向矢量、都和传播方向K K垂直。垂直。返回n光学中用电场波来表示光波，光学中用电场波来表示光波，E E称为光矢量称为光矢量n就能量的传输而言，光波中的电场就能量的传输而言，光波中的电场E E和磁场和磁场H H是同等重要的。是同等重要的。n实验证明实验证明,光与物质相互作用时，电场
8、具有直接作用。光与物质相互作用时，电场具有直接作用。n引起眼睛视觉效应引起眼睛视觉效应n光化学效应（感光）光化学效应（感光）n光对导体的作用（对电子作用）光对导体的作用（对电子作用）5/2/2023第1章光的干涉n光强光强I I玻印亭矢量的大小玻印亭矢量的大小n光强光强I I与光矢量与光矢量E E的平方成正比；的平方成正比；n由于光的频率极高，对光信号的测量，一般探测器只能测由于光的频率极高，对光信号的测量，一般探测器只能测量到测量时间内的平均值。量到测量时间内的平均值。I IA A2 2n波动光学中主要讨论光波的相对强度，常将光矢量振幅的波动光学中主要讨论光波的相对强度，常将光矢量振幅的平方
9、称为平方称为光强光强。I IA A2 21.1.5 1.1.5 光波的能量分布光强光波的能量分布光强返回n电磁波的能量密度电磁波的能量密度电磁场中单位体积内电磁场的能量电磁场中单位体积内电磁场的能量2020202021212121HEHEHBEDwwwrrrrmen电磁波的能流密度玻印亭矢量电磁波的能流密度玻印亭矢量单位时间内通过与波单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积的能量。的传播方向垂直的单位面积的能量。HES5/2/2023第1章光的干涉1.1.6 1.1.6 光源光源原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激发态激发态nE自发辐射自发辐射光波光波波列长波列长L L c c2.
10、2.普通光源：自发辐射普通光源：自发辐射(随机、随机、独立独立)不相干不相干(不同原子发的光不同原子发的光)不相干不相干(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)1.1.光源的最基本发光单元是光源的最基本发光单元是分子或原子。分子或原子。3.3.激光光源：受激辐射激光光源：受激辐射 返回E2E1h21h21相干相干h21光辐射持续时间光辐射持续时间-10-10-8-8s s 5/2/2023第1章光的干涉1.1.71.1.7单色光波及其描述单色光波及其描述n光波是电磁波，可以用描述电磁波光波是电磁波，可以用描述电磁波波函数波函数来描来描述光波的各种形态，这些波函数是满足一定边述光波的各种形态，这
11、些波函数是满足一定边界条件下的麦克斯韦方程的解。界条件下的麦克斯韦方程的解。n在光学中常遇到的单色平面光波和单色球面光在光学中常遇到的单色平面光波和单色球面光波（波（理想模型理想模型），可以看作是方程的特解，任），可以看作是方程的特解，任何形式的光波（实际）都可以看作是这些特解何形式的光波（实际）都可以看作是这些特解的某种线性组合。的某种线性组合。n什么是单色光波？什么是单色光波？n单色光波的物理描述单色光波的物理描述n光波的图像描述光波的图像描述返回5/2/2023第1章光的干涉什么是单色光波？什么是单色光波？n单色光波单色光波：具有单一频率的光波。：具有单一频率的光波。n严格的单色光波必须
12、满足下面四个条件严格的单色光波必须满足下面四个条件n空间各点电、磁场矢量以单一的频率作简谐振动；空间各点电、磁场矢量以单一的频率作简谐振动；n空间各点的光波振幅不随时间变化，形成一个稳定的空间各点的光波振幅不随时间变化，形成一个稳定的振幅空间分布；振幅空间分布；n初始位相的空间分布与时间无关；初始位相的空间分布与时间无关；n光波的波列在空间上无限延伸、光源发光时间无限长。光波的波列在空间上无限延伸、光源发光时间无限长。n若波列是有限长的，则它在行进过程中，空间各点的振幅、若波列是有限长的，则它在行进过程中，空间各点的振幅、位相分布必定会随时间变化；位相分布必定会随时间变化；n若光源发光时间是有
13、限的，则所发波列经傅里叶变换后可发若光源发光时间是有限的，则所发波列经傅里叶变换后可发现，这列光波可以看作是由不同频率的、无限长的平面单色现，这列光波可以看作是由不同频率的、无限长的平面单色光波的线性组合而成的。光波的线性组合而成的。继续5/2/2023第1章光的干涉继续讨论继续讨论n严格的单色光波是不存在。严格的单色光波是不存在。n任何光源的发光过程总是有限的；任何光源的发光过程总是有限的；n从微观角度看，发光过程是断断续续的从微观角度看，发光过程是断断续续的；n当波列的持续时间比扰动的周期长得多时，当波列的持续时间比扰动的周期长得多时，可以将该波列当作单色光波来处理；可以将该波列当作单色光
14、波来处理；返回n任何任何复色光波复色光波（一个中心波长（一个中心波长0 0和一定宽带和一定宽带）都是）都是由单由单色光波组合而成色光波组合而成的。的。0II0I0/2n谱线宽度越小，单色性越好；谱线宽度越小，单色性越好；n谱线宽度与原子的发光持续时间、谱线宽度与原子的发光持续时间、原子间碰撞及原子热运动等有关。原子间碰撞及原子热运动等有关。5/2/2023第1章光的干涉单色光波的物理描述单色光波的物理描述(附录附录1.2)1.2)n单色光波单色光波n平面单色光波平面单色光波-最简单、最基本、最重要最简单、最基本、最重要n就是平面简谐电磁波；就是平面简谐电磁波；n任何光波都可以看成为不同频率、不
15、同方向传播任何光波都可以看成为不同频率、不同方向传播的平面单色光波的叠加；的平面单色光波的叠加；)(cos00 VztEEn一列沿一列沿k k方向传播的平方向传播的平面光波可用下列波函数面光波可用下列波函数表示表示(三角函数三角函数)cos00 rktEE继续n一列沿一列沿z z轴正方向传播轴正方向传播的平面单色光波可用的平面单色光波可用下列波函数表示下列波函数表示cos00 kztE)(2cos00 zTtE)(exp00rkjEE(复振幅复振幅)5/2/2023第1章光的干涉继续讨论继续讨论n单色球面光波单色球面光波n较简单且重要；较简单且重要；n从从点光源点光源发出的光波发出的光波在均匀
16、各向同性介质中在均匀各向同性介质中传播时，传播时，就形成球面波；就形成球面波；n从点光源向四面传播从点光源向四面传播(发散发散)的单色球面光波可用下的单色球面光波可用下列波函数列波函数(三角函数三角函数)表示表示cos00 krtrEE返回n汇聚单色球面光波可用下列波函数汇聚单色球面光波可用下列波函数(三角函数三角函数)表示表示cos00 krtrEE)(exp00rkjrEE(复振幅复振幅)(exp00rkjrEE(复振幅复振幅)5/2/2023第1章光的干涉光波的图像描述光波的图像描述-几何描述几何描述n波面波面(波阵面的简称波阵面的简称)n也称等位相面，是光振动位相相等的各点的轨迹；也称等位相面，是光振动位相相等的各点的轨迹；n波面是三维空间里的曲面族，走在最前面的波面称为波面是三维空间里的曲面族，走在最前面的波面称为“波前波前”。n波线波线n能量传播的路径能量传播的路径n两者关系两者关系n各向同性介质中，处处正交；各向同性介质中，处处正交；n各向异性介质中一般不正交。各向异性介质中一般不正交。n示意图示意图 球面波平面波球面波平面波虚线为波面虚线为波面实线为波线实线为波线返回
