光波的基本性质(中科大光学)
光波的基本性质总结
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 v0000()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。
中科大光学课件5
2T E0 1 cos2t p dt T 0
2 E0
2 E0
sin2t p
T 0
2 E0 ,T 2 .
~ E p E0 p expi k r 0 ,
I
2 E0
~* ~ E p E p .
s ▲光强 I s , 是电磁波能流密度. dI ▲谱密度 i dI 是 d d
之间光强). I 0 dI 0 i d ▲光谱： i 按波长分布(连续谱,线
状谱).
▲谱线宽度 : 越小,光的单色性
上式中实部正是光波波函数. 单色光标量波函数
~ E p , t E0 p exp i t p E0 p expi p exp it .
复振幅为
~ E p E0 p expi p .
平面单色光波为
传播方向： k0 3 2 , 1 2 .
k
kx
ky
c 位相速度： V c .
2-3波的叠加 一、波的独立传播和线性叠加原理
■波的独立传播原理：
当两列波在空间交叠时,它们的传播 互不干扰.
■线性叠加原理(弱光情况下成立):
E p , t E1 p , t E 2 p , t .
表示的平面波电矢量的振动方向、传
播方向、位相速度、振幅、频率、波
长. 解
3 1 E0 2 i 2 3 j 4 i j , 2 2 1 3 E0 4. 振动方向： i j 振幅： 2 2
频率： 6 10 2c 2 Hz .
chap3光波的基本性质
光波由真空进入介质波长变短．若某单色光波在真 空中的波长为 0 ，进入折射率为 n 的透明（没有吸收） 介质中，波长变为 = 0/n ,但频率不变．因此没有颜 色的变化． 在电磁波谱中与可见光相接的，短波一端是紫外 线(4005nm)，长波一端是红外线 (760nm 十分之几 毫米）．有时讨论问题时，常常把这两个波段的电磁 辐射包裹在内． 单一波长的光叫单色光， 否则叫非单色光．
有
n r .
光是极高频率的电磁波，是横波.
光在真空中的速度为
c ( 0 0 ) .
真空中的光没有色散，上式既是光在真空中的相速， 又是光在真空中的群速 .现代公认的光在真空中速度 最准确的值是：
1 2
c (2.997924562 108 1.1)米 / 秒.
真空中的光速是物理学中的基本常数之一，它是一 切有质量的物体运动速度极限.
因为 n r , c 1 0 0 , 故
S c 0 nE .
2
我们检测光波的存在和强弱，是通过光和 物质的相互作用．但是，任何检测器件都有 一定的响应时间，都不能检测电磁波能流密 度的瞬时值，只能检测其在响应时间内的平 均值． 可见光振动周期T~10-14秒，人眼响应时 间~10-1秒，灵敏的光检测器响应时间 ~10-9秒．
1
2
3
一些气体（如金属蒸汽）放电发出的是线光谱.不同的化学 成分到都有自己的特征谱线.每一条谱线只是近似的单色光， 都有一定的宽度 ，越小，单色性越 好.
2-2 单色光波及其描述
（1） 波场中各点的光振动是同频率的简谐振动 （频率与振源频率同）.
（2） 波场中各点光振动 的振幅不随时间变化， 在空间形成稳定的振幅分布.
第1章 光波的基本特性(大学物理)
第一章 光的干涉本章主要介绍光波的基本类型和一些传播特性（平面光波在各向同性均匀介质分界面上的反射和折射），这些内容是物理光学的基本内容之一，是学习以后各章节的基础。
重点知识：光波的主要类型及其数学表达式；平面光波在各项同性均匀介质分界面上的反射和折射特性。
1.1 光的波动理论一 光波与电磁波光是电磁波，这是我们所熟悉的结论，或者说，光是电磁辐射频谱的一段。
光波包括红外光、可见光和紫外光。
可见光的波长约在400—760nm 的一段电磁辐射。
光在真空中的传播速度s m c /299792458=。
既然光是电磁波，因此光的所有物理量和物理行为都应遵行电磁理论。
光扰动（光振动） 光波的电场强度E 与磁感应强度B的变化由于光与物质相互作用过程中电场起主要作用，因此将电场强度（电矢量）称作光矢量，本书所讨论的光振动未特别说明均理解为随时间和空间变化的光矢量。
A. 根据光振动在空间的分布，按波面形状可分为平面波、球面波、柱面波等；按频率则可分为单色光、准单色光和多色光。
若没有特别说明，所讨论的对象都按单色光来处理。
B. 光波属于横波，光矢量与光波传播方向垂直。
因此完全描述光波，还必须指明光场中任一点、任一时刻光矢量的方向，因此光波是一种矢量波。
（光的偏振现象就是光的矢量性质的表现）C. 当光的波长λ趋近于零或忽略不计时，以及在折射率不变或者变化缓慢的介质空间中，可以将光波看作是光线。
D. 电磁场的理论分析：场矢量的每个直角分量()t r f ,， 麦克斯韦方程组：tD J H ort E J B B t B E D orE ∂∂+=⨯∇∂∂+=⨯∇=∙∇∂∂-=⨯∇=∙∇=∙∇μεμρερ0反映介质的电磁性质的物质方程：EJ H H B E E D r r σμμμεεε=====00电磁场的能流密度，即Poynting 矢量为：H E S⨯=二 亥姆霍兹方程及其平面波和球面波解利用()()A A A2∇-∙∇⨯∇=⨯∇⨯∇可以推得电磁波在介质（无电荷、无传导电流）所要满足的波动方程：00222222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∇=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∇E t B t μεμε式中2∇称为拉普拉斯算符，在直角坐标系中的表达为2222222z y x ∂∂+∂∂+∂∂=∇。
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
物理光学第二章-1
物理光学(2-1)光波具体形式和基本性质华中科技大学光电学院王英第二章光波与介质的基本性质一．平面波二．球面波和柱面波三．折射率四．平面波的叠加五．平面波在两介质界面上的反射和折射六．平面波在金属界面上的反射和透射七．电偶极子辐射八．光的散射2.1 平面波一维波动方程的解ˆ(,)x xEz t =E 平面波是最基本的波动形式最简单形式的平面波：一维平面波\E y =E z =0，沿z轴传播2222x x E E ztεμ∂∂−=∂∂()0cos()ˆ,E =−E kz t z t xω标量波和矢量波矢量波：E(D)、B(H)振动方向随空间和时间变化，是矢量波；标量波：各向均匀介质中的线偏振光、各向均匀介质中的分解为xyz光2.1.1 平面波的表达1、一维波动方程的平面波解只要平面简谐波就是一维波动方程的解。
()0(,)cos()ˆˆ,x E z t E kz t z t xx ω==−E 22∇+=E E εμω0)cos()(022=−+−t kz E k ωεμω22k k vω=εμω=E 0是电振动振幅;：余弦项的宗量称为位相，它决定平面波在传播轴上各点的振动的状态时间相位:ωt 变化2π所经历的时间称为周期，以T 表示。
而一秒内相位变化2π的次数称为频率，以f 表示。
由ωT=2π得空间相位kz 变化2π所经过的距离称为波长，以λ表示。
按此定义有kλ=2π，所以[]kz t ω−0(,)cos[)]E z t xE kz t ω=−πω21==T f kπλ2=时间角频率：空间角频率（波矢量）k，其大小(通常称波数)：T为时间周期：波长λ为空间周期: 0/pf c n v λ⋅==122==f Tωππλπ2=k 1f T =时间⎯空间频率、角频率、周期间的关系平面波传播速度随介质而异；频率与介质无关；频率角频率λT周期空间时间参量1f T =λ12fω=πλπ2=k again平面波的速度：等振幅面传播速度波阵面= 等振幅面（等相位面）是一个平面。
光波的基本性质总结
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 v0000()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。
chap讲义3光波的基本性质
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．
的波动微分方程如： 2Ex
2tE2x
• 即在均匀各向同性介质中， 只要研究典
型的标量波动微分方程，就可以得到各 分量随时间和空间的变化规律。
• 注意：各分量大小一般并不相等，这与初始 条件和边界条件有关。
• 由上式还知，电磁波各分量的传播速度是
v 1
• 显然它是一个物质常数，并可能存在色散。
二、平面单色波与球面单色波的物理描述
（2） 波场中各点光振动 的振幅不随时间变化， 在空间形成稳定的振幅分布.
（3）初始位相的空间分布与时间无关
严格的定态光波 场 对应无限长的波 列（单色光 波）.实际光源发光，波列不是无限长.但是，只要光 源原子发光持续时间比光振动周期大得多，都可以 当作单色 光波来处理，其对应的波场，可视为定态 光波场.
1
c (00) 2.
真空中的光没有色散，上式既是光在真空中的相速， 又是光在真空中的群速.现代公认的光在真空中速度 最准确的值是：
c(2.9979 2148 0 51.6 1)米 2/秒 .
真空中的光速是物理学中的基本常数之一，它是一 切有质量的物体运动速度极限.
光波由真空进入介质波长变短．若某单色光波在真 空中的波长为 0 ，进入折射率为 n 的透明（没有吸收） 介质中，波长变为 = 0/n ,但频率不变．因此没有颜 色的变化．