光波的基本性质总结
第一章 光波的基本性质
E 0 H 0 B H E t t H D E t t
（1.2.1）
将（1.2.1）第三式两边取旋度，并将第四式代入得
3
H E 2E ( E ) ( H ) ( ) 2 t t t t t
上式将描述介质光学性质的常数和描述介质电磁学性质的常数联系在一起了。 对于一般的非铁磁物质， r 1 。因此，折射率可表示为
n r
（1.2.8）
需要说明的是，对于一般介质， n 和 r 都是频率的函数，这将导致光的色散现象。 波动方程给出了每一个场矢量本身(比如电场强度 E )随时间和空间变化的规律。 每个波 动方程是由三个标量方程组成，只有解出 E x 、 E y 、 E z 后，才能由它们构成电矢量 E 。 若在所讨论的问题中， E 只含有一个分量，那么，矢量场的问题就可以完全转化成标 量场来处理了。在讨论光的干涉和衍射现象时，一般不必考虑光的振动方向，而只要知道振 幅的大小， 因而光波可以用标量波来表示。 在讨论光的偏振现象时， 要考虑光波的振动方向， 因而光波只能用矢量波来表示。
c
1
0 0
2.99792 10 8 m / s
（1.2.6）
这个数值与实验中测出的真空中光速的数值非常接近。 历史上， 麦克斯韦正是以此作为重要 依据之一预言了光是一种电磁波。 光波在真空中的速度与在介质中的速度之比称为介质的折射率，记为 n ，即
n
c r r v
（1.2.7）
二 时谐均匀平面波
光波是电磁振动在空间的传播。某一时刻，振动状态（相位、振动方向、振动位置）相 同的点所组成的面叫作波面。 波面形状为平面的光波称为平面波， 波面上的场矢量都相等的
波的特性和性质分析
波的特性和性质分析波是一种常见的自然现象，我们可以在日常生活中观察到各种形式的波。
通过对波的特性和性质进行分析，我们可以深入了解波的行为和相互作用规律，进而为各个领域的研究和应用提供基础理论支持。
本文将就波的特性和性质展开分析。
一、波的定义和基本特性波是一种能量的传递方式，它通过介质的振动传播。
波可以分为机械波和电磁波两大类。
机械波传播需要依靠介质，例如声波、水波等；电磁波可以在真空中传播，包括光波、电磁辐射等。
波具有以下基本特性：1. 振动：波是由介质或场的振动引起的能量传递。
振动的方式可以是横波或纵波，例如，横波可以表示水波中的波峰和波谷的横向振动，而纵波可以表示声波中的分子振动方向与波传播方向一致。
2. 传播：波的能量通过介质或真空进行传播，形成波的传播路径。
传播速度与波的性质和介质有关，例如，机械波传播速度受介质的密度和弹性系数的影响，电磁波传播速度取决于真空中的光速。
3. 干涉：当两个或多个波在空间相遇时，会发生干涉现象。
干涉可以分为相长干涉和相消干涉。
相长干涉是波峰与波峰相遇，导致波幅增大；相消干涉是波峰与波谷相遇，导致波幅减小。
4. 折射和反射：当波从一种介质传播到另一种介质时，会出现折射和反射现象。
折射是波传播方向的改变，反射是波在边界上的反弹。
二、波的分类和性质根据波的性质和传播媒介的不同，我们可以将波分为多种类型，例如：1. 压力波：压力波是一种机械波，它通过介质中的压缩和稀疏传播。
声波就是一种常见的压力波，它是由气体、液体或固体中分子的振动引起的。
2. 横波和纵波：根据波的传播方向与振动方向的关系，我们可以将波分为横波和纵波。
横波中，波的传播方向和振动方向垂直；而纵波中，波的传播方向和振动方向一致。
3. 驻波：当两个相同频率、相同振幅的波在某一介质中相遇时，会产生驻波现象。
驻波的特点是波节（振动幅度最小）和波腹（振动幅度最大）交替出现。
4. 汇聚和发散：波的汇聚和发散是波动现象中的重要性质。
chap3光波的基本性质
EE 1E 2 E n.
n
光波的线性叠加的条件是： (1）线性媒质，（2）非强光光源.
2、两个频率相同、振动方 向相同的单色光波的迭加
合振动（波）
E E 1 E 2 E 0 [ c o s ( 1 t k 1 z ) c o s (2 t k 2 z ) ]
和差化积：
E 2 E 0 c o s 1 2 [ ( k 1 k 2 ) z (1 2 t) ] c o s 1 2 [ ( k 1 k 2 ) z (1 2 ) t]
平面电磁波
• 麦克斯韦方程组所描述的电磁波可以转化为 一个二阶偏微分方程。
• 要决定解的具体形式，必须根据 E,B满足的 边界条件和初始条件求解方程。
• 由于其是一个三维波，平面波是三维波的的 一种基本形式，故通过它来讨论电磁波的基 本性质是合理的、方便的。
• 电磁波的波动微分方程表明：电磁波是
光是一种电磁辐射，按能量供给的方式不同， 发光可分为两大类：
（1） 热辐射； （2） 光发射： 电致发光
化学发光
场致发光 光致发光
各种波长的电磁波中，能为人所感受的是 (400—700)nm的窄小范围． 对应的频率范围是
= （7.6 4.0）1014 HZ ．
这波段内电磁波叫可见光，在可见光范围内， 不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉．
二、平面波、球面波的复振幅 ：
称 E E 0 e ik r 0 E 0 e i k x c o s y c o s z c o s 0 平面
光的波动性质
光的波动性质光是一种电磁波，具有特殊的波动性质。
在科学研究和实际应用中，我们通过对光波的研究和理解来揭示光的本质和性质，从而推动了现代光学的发展和进步。
本文将探讨光的波动性质，包括光的波长、频率和速度等方面的内涵。
一、波动的本质光的波动性质是以电磁波理论为基础的。
首先，我们需要了解波动的基本概念。
波动是物理学中研究波动现象的一个重要分支，它描述了能量在空间中传播的方式。
而光的波动性质则是指光能按照波动的特点在空间中传播。
二、光的波长和频率在光的波动性质中，波长和频率是两个重要的参数。
波长是指波动在一个完整周期中传播的空间长度，通常用λ 表示，单位为米。
频率则是指波动每秒钟振动的次数，用ν 表示，单位为赫兹（Hz）。
光的波长和频率之间存在着简单的数学关系：光在真空中的传播速度 c 约等于 3 × 10^8 m/s，那么光的波长λ 和频率ν 的关系可以表达为c = λν，这就是著名的光速公式。
光的波长范围非常广泛，从长波长的无线电波到短波长的伽马射线都包含在内。
而可见光波长的范围大约在 400 - 700 纳米之间，其中红橙黄绿青蓝紫分别对应不同的波长。
光的频率也相应地跨越了很大的范围，从数千赫兹到数百万赫兹。
三、光的速度和介质折射光是一种电磁波，具有传播速度。
在真空中，光的传播速度 c 是一个常数，约等于每秒3 ×10^8 米。
这个速度是通过对光的测量所得的，并且在所有惯性参考系中都具有相同的数值。
然而，光在介质中传播时，速度会发生变化。
这是由于光与介质中原子、分子的相互作用所致。
光传播速度在不同的介质中是不同的，我们用折射率来表示光在不同介质中的传播速度。
折射率 n 是一个和介质相关的物理量，它定义为光在真空中速度与在介质中速度之比。
光从一个介质传播到另一个介质时，会根据不同介质的折射率发生折射现象，并且光的传播路径会发生改变。
四、光的衍射和干涉光的波动性质还表现在光的衍射和干涉现象上。
光的波性质
1.2折射率
当一个电磁波在介质中行进时，振荡的电场使得介质的分
子在波的频率下极化。由于相对的介电系数 r 是测量介质极化 的难易程度，因此可说明电场与感应偶极之间作用的程度。在
介电常数 r 的电介质中，相速度 v 为
v 1
r00
(1.2.1)
涉及光电装置的典型频率落在红外線 (远红外线 )、可见
光、紫外线，一般将这些频率当成光学频率，它们涵盖在大约
vector) (或传播向量 (propagation vector))，其大小为传播常
数，即 k 2 / 。当电磁波沿着某任意方向 k 传播时，则垂直
于 k 之平面上的点 r 的电场 E (r , t) 为
E (r , t) E0 cos (t k r 0 )
如果波的传播是沿着 z，则 k r 就变为 kz。
cos
[
1 2
(
A
B)]
cos
[
1 2
(
A
B)]，我们
得到
Ex (z , t) 2E0 cos[( ) t ( k) z]cos(t kz)
解：
利用式 (1.1.7)，可以发现
瑞利距为
2
4 (2w0 )
4 (633109 m) (10103 m)
8.06 105
rad
0.0046
zo
wo2
[(1103 m)/2]2 (633109 m)
1.24 m
在25m距离处的光束宽度为
2w 2wo[1 (z / zo )2 ]1/2 (1103 m){1 [(25 m) / (1.24 m)]2}1/2 0.0202 m 或 20 mm
[()t ( k)z] 2m 常數 (为m整数)时，场中出现最大值，
光的基本性质与光的传播
光的基本性质与光的传播光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。
在物理学中，光的基本性质主要包括速度、频率、波长、能量和偏振等方面。
光的传播是指光在介质中的传递过程，其中包括折射、反射、散射和衍射等现象。
1. 光的速度光的速度是宇宙中最快的，约为每秒30万公里。
这一速度的快慢使得我们能够在瞬间看到远处的事物。
光的速度在真空中是恒定不变的，而在不同介质中会发生改变，这就是光的折射现象。
2. 光的频率与波长光的频率是指光波的振动次数，单位是赫兹(Hz)，通常用来表示光的颜色。
不同频率的光波对应不同的颜色，比如红色光的频率较低，而紫色光的频率较高。
光的波长则是指光波的长度，单位是米，它与频率有一个简单的关系：波长乘以频率等于光在真空中的速度。
3. 光的能量光的能量是由光的频率决定的，能量与频率成正比。
例如，紫外线和X射线具有较高的频率和能量，而红外线和微波具有较低的频率和能量。
光的能量可以转化为其他形式的能量，比如热能和电能。
4. 光的偏振光具有偏振性，这意味着光的振动方向是有规律的。
光可以是线偏振的，即振动方向只沿着一条直线；也可以是圆偏振的，即振动方向沿着一个圆周运动；还可以是无偏振的，即振动方向是随机的。
偏振光的应用非常广泛，比如偏振墨镜可以有效地减少光的反射和散射。
光的传播是指光波在介质中的传递过程。
光在传播过程中会发生多种现象，包括折射、反射、散射和衍射等。
1. 光的折射当光波从一种介质传播到另一种介质时，会发生光的折射现象。
根据斯涅尔定律，入射角、出射角和两种介质的折射率之间存在一个简单的关系。
通过折射现象，我们可以解释很多光学现象，比如水中的游泳池似乎比实际要浅等。
2. 光的反射光的反射是指光波从一个介质界面反弹回来的现象。
根据反射定律，入射角等于反射角。
反射现象在我们日常生活中非常常见，如镜子的反射、光的闪光等。
3. 光的散射当光与微小颗粒或不规则表面相互作用时，会发生光的散射现象。
散射会导致光的传播方向改变，同时也使得我们能够看到透明介质中的物体。
光的波动性质
光的波动性质光是一种电磁波，具有波动性质。
本文将对光的波动性质进行探讨，包括光的波长、频率、传播速度以及光的干涉和衍射等相关特性。
一、光的波长和频率光是一种电磁波，它可以通过波长和频率来描述。
波长是指光波的一个周期所对应的长度，通常用λ表示，单位是米（m）。
频率是指光波在单位时间内通过某一点的次数，通常用ν表示，单位是赫兹（Hz）。
光的波长和频率之间存在着特定的关系，即光的速度等于波长乘以频率。
光在真空中的速度约等于3×10^8米/秒，因此可以得到光的速度等于波长乘以频率的公式：c = νλ。
二、光的传播速度光在真空中的传播速度是一个常数，约等于3×10^8米/秒，通常用小写字母c表示。
这意味着光的传播速度与波长和频率无关，即无论光的波长多长，频率多高，光在真空中的传播速度都保持不变。
然而，当光波传播到介质中时，其传播速度会发生改变，这是因为介质的折射率不同于真空的折射率。
由于介质对光的传播产生了阻碍或减缓作用，使得光在介质中的传播速度较在真空中的传播速度要小。
三、光的干涉和衍射1. 光的干涉干涉是指两个或多个光波相遇并叠加形成干涉图案的现象。
光的干涉可以分为两种类型：构造性干涉和破坏性干涉。
构造性干涉是指光波相遇时，波峰与波峰相重叠，波谷与波谷相重叠，从而达到增强波幅的效果。
破坏性干涉是指光波相遇时，波峰与波谷相重叠，波峰与波谷相消，从而使得波幅减弱或彼此抵消。
2. 光的衍射衍射是指光通过一个边缘或障碍物后发生偏折和扩散的现象。
光的衍射是由于光的波动性质所导致的。
根据衍射的特点，光的波动性可解释为光的传播是朝着范渡尔交线前进，并且朝着物体的阴影区域扩散。
衍射现象将局限于干涉程度较弱的情况下，当光通过一个非常狭缝时，衍射现象将变得比较明显。
结语光的波动性质是光学研究中的重要内容。
本文介绍了光的波长和频率的概念，以及光在真空和介质中的传播速度的特点。
另外，我们还探讨了光的干涉和衍射现象，进一步揭示了光的波动性质。
物理光学 光波的形式和基本性质
参考面的歧义性
• 参考面上的一个复振幅，对应通过面的 两种平面波E1和E2
E2 x E1
z
光波的共轭
• 共轭操作
– 原始波 – 共轭波
E r , t E r exp jt
* r exp jt E r, t E
k E =0
• 电矢量振动方向垂直于平面波传播方向 • 同理，磁矢量振动方向垂直于平面波传播方向
E和B互相垂直
• 将电矢量复振幅带入旋度方程
E A exp( jk r )
A exp( jk r ) exp( jk r ) A jk E j B
S wv v E H
2 2 2 2
vdt
2, v 1 S w
S v E v H HE
太大，S的平均值<S>更有意义
• S的时间平均值
1 T S v E v E 2 dt T 0 • 将E的实数形式带入上式，得
2
v A2 S T
磁场的时谐平面波
• 实数形式
B r , t = A ' cos(k r t )
• 复数形式
B r , t = A ' exp j ( k r t )
• 复振幅
B r exp jt
B r A' exp jk r
电场和磁场与物质的相互作用
• 电场与物质相互作用的重要性高于磁 场 • 常把电场强度矢量E称为光场矢量
平面波复振幅在z=0平面上的相位分布
E r ＝A exp jk x cos z cos
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光波的基本性质总结
一、熟悉下述基本概念：
、熟悉下述基本概念：有关本章的概念都是定义问题，注意理解。
振动，波动，标量波与矢量波，纵波与横波，简谐波，波矢，波函数，
复振幅，光波的位相及初位相，波面（等相面），平面波，球面波.
复振幅光波的位相及初位相波面（等相面）平面波球面波
1.波面——任意时刻振动状态相同的点所组成的面。
平面波、球面波
3.简谐波——波函数是余弦或正弦函数表达的单色波
4.波矢——方向代表波面的法线方向，大小代表单位长度波相
位的变化量
5.复振幅的空间频率——描述光场在垂直传播方向的平面
上复振幅的空间周期性
6.相速度——等相位（振幅）面的传播速度
7.光的各种偏振态线、圆、椭圆、自然
——
三、知识点串讲
•——麦克斯韦方程组和波动微光的电磁理论基础
分方程
•光波的数学描述——光波的波函数
•平面电磁波的性质
•电磁波在媒质界面上的反射和折射
维简波的复指数式复
光波的数学描述
•一维简谐平面波的复指数形式和复振幅([)]
(exp[),(00k t kz j E t z E ϕω+−=exp()exp()](exp[00t z E t j kz j E ωωϕ−=−+=)
p()(j )](exp[)(00ϕ+=kz j E z E
•光波的数学描述
三维简谐平面波
–波面的定义——等位相面–波函数和复振幅
exp[()]
E r t E k r k t νϕ=⋅−+v v v 0000(,)p[exp[()]
x y z j E j k x k y k z k t νϕ=++−+v v v
0000()exp[()]exp[2()]
x y z E r E j k r E j f x f y f z ϕπϕ=⋅+=+++[200(,,)exp[2()],)exp[2()]
x y E x y t E j f x f y k t E x E j f x f y πνϕπϕ=+−+=++00(p[x y y
•反射波和折射波性质
电磁波在媒质界面上的折射和反射
–振幅变化规律；布儒斯特定律和偏振性质；位相变化规律；反射率和透射率。