光的电磁理论基础及光波的基本概念ok
电磁学光的电磁波性质知识点总结
电磁学光的电磁波性质知识点总结光是一种电磁波，具有波粒二象性，既可以被看作是一种波动现象，也可以被看作是一种由光子组成的微粒流动现象。
光的电磁波性质包括波长、频率、光速、偏振等方面。
下面将对这些知识点进行详细总结。
1. 波长波长是指光波传播一个完整周期所需的距离。
波长通常用λ来表示，单位是米。
不同颜色的光波有不同的波长范围，可见光的波长范围大约为400-700纳米。
2. 频率频率是指光波单位时间内的振动次数。
频率通常用ν来表示，单位是赫兹（Hz）。
光波的频率与波长之间存在倒数关系，即ν=c/λ，其中c是光速。
3. 光速光速是光在真空中传播的速度，约为3.00×10^8米/秒。
光速是自然界中最快的速度，能够以每秒300,000公里的速度传播。
4. 偏振偏振是指光波振动方向的特性。
一束自然光是由许多不同方向的光波叠加而成的，它的振动方向是无规律的。
而偏振光则是指光波在特定方向上振动的光。
偏振光在光的传播过程中有着重要的应用，如偏光镜可以用来过滤掉特定方向上的光。
5. 干涉和衍射干涉和衍射是光波的特性现象。
干涉是指两束或多束光波相遇时产生的互相加强或抵消的现象。
干涉实验可以用来验证光是波动性质的重要实验之一。
而衍射是指光通过一个小孔或通过一个物体的边缘时，光波会发生向四周扩散的现象。
6. 折射和反射折射和反射是光与界面相交时产生的现象。
折射是指光由一种介质传播到另一种介质时，由于介质密度的不同，光线发生偏离原来的方向。
反射是指光与界面相交并从原来的介质中返回的现象。
折射和反射在光学中有着重要的应用，如透镜和镜子等。
7. 光的色散色散是指光在穿过不同介质时，由于介质的折射率不同，不同波长的光产生不同程度的折射。
这导致了光的分离，形成七彩虹谱。
色散现象在光学仪器中是很常见的，如光谱仪和棱镜等。
总结：光的电磁波性质涉及了波长、频率、光速、偏振、干涉、衍射、折射、反射和色散等方面知识点。
了解这些性质有助于我们深入理解光的本质以及光在自然界和应用中的作用。
第一章 光波的基本性质
= （7.6 4.0）1014 HZ ．
760 630 600 570 500 450 430 400(nm)
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
第 一 章 光波的基本性质
电磁波谱
第 一 章 光波的基本性质
第二节 光波的波函数 描述光波动的物理量E和B随时间和空 间变化的函数称为波函数。 通常把光波中的电场矢量称为光矢量， 把电场的振动称为光振动，在讨论光的波 动持性时，只考虑电场矢量即可。
T
第 一 章 光波的基本性质
（3）空间参量与时间参量的关系 空间参量描述的是在某一个确定的时刻，即时间 不改变时，波的位相随空间坐标的变化； 当时间不变时，波在空间的形状完全由空间参量 来表示； 时间参量描述的是空间某考察点处波的位相随时 间的变化。 而对于空间某一个固定的点而言，随时间改变， 波形自然也会改变，这一改变就由时间参量来决 定。
c
1
0 0
2.99794 108 m / s
第 一 章 光波的基本性质 根据我国的国家标准 GB3102.6-82， 真空中的光速为 c=(2.997 934 58±0.000 000 012)×１０8m/s 为表征光在介质中传播的快慢， 引入光折射率：
n
因此， 折射率可表示为
c
r r
2 B E 2 t t
(1.15)
2
( A) ( A) A
E 2 E 2 0 t 2 B 2 B 2 0 t
2
将（1.11）（1.14） （1.15）代入可得 同理可得
的方程， 即是物质方程： D=εE
B=μH
第11节光的电磁理论-PPT精品
Imin
I m iI 1 n I 2 2I 1 I 2
-4
-2
煤o师院物理系2 从守民4
6
II1I22I1I2cos 4
----I1、I2为两相干光单 2
I
独在P点处的光强
0
若 I1 I2 ，则
2
明纹光强 Imax4I1
4 6
暗纹光强 Imin 0
l1 l2
lm
光程有可加性 L = ( ni li )
(2) 光程差
(nrnr)
22
11
光程差与 位相差（同频率光源）：
r1 n 1
r2 n 2
2 r2 2r1 1 2 n 2r2n 1 r1 2 煤师院物理系/从守民
I
n
2
c
A2
0
为描述方便，取相对光强
nr
I A2 煤师院物理系 从守民
复习：谐振动的旋转矢量表示法
OM A 逆时针旋转
t =0： x0 Acos
t 时刻
M
A
M1
A t A M 0
xAcots()振幅矢量 O
x x0
x
参考圆
煤师院物理系 从守民
波源振动
E10A1co st01 E20A2co st02
煤师院物理系 从守民
第1.1节 光的电磁理论
一、光是某一波段的电磁波
1.在真空中电磁波的传播速度:
c
1
00
Y
E
O
X
H Z
煤师院物理系 从守民
2.折射率
nc v
rr
连接光学和电磁学的桥梁。
物理光学-第一章-光的电磁理论-1
电磁波在长波端表现出显著的波动性，而在短波 端则表现出极强的粒子性。 对于光波来说，其波粒二象性的特征表现得更为 突出。(h=6.626×10-34JS）
E h , p
h
h 0, 0 几何光学 h 0, 0 波动光学 h 0, 0 量子光学
S EH
E 、H和S之间满足右手螺旋关系
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第4章 光的电磁理论
1.1.2 电磁场基本方程
光强
由于光的频率太高，只能用光敏探测器检测光辐射 的平均强度。 在实用中, 用能流密度的时间平均值表征光波的能量 传播，称为光强度，以 I 表示。设光探测器的响应 时间为，则
Ax Ay Az A x y z
ˆ x
ˆ y
ˆ z
A x y z Ax Ay Az
11
ˆ ˆ ˆ x y z x y z
第4章 光的电磁理论
1.1.2 电磁场基本方程
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——时变 电磁场。 麦克斯韦方程组是电磁理论的核心。从麦克斯韦 方程组出发，结合具体的边界条件及初始条件， 可以定量地研究光的各种传输特性。
第4章 光的电磁理论
5
(4)低能性：THz光子的能量只有10-3eV，无损 检测，适合生物大分子与活性物质结构的研 究； (5)THz辐射具有很好的穿透性，它能以很小 的衰减穿透物质如烟尘、墙壁、布料及陶瓷 等，在环境控制与国家安全方面能有效发挥 作用．
第4章 光的电磁理论
6
1.1.1 电磁波谱
光的电磁理论基础
电磁场的波动性（波动方程） 电磁场的波动性（波动方程）
为简单，讨论在无限大各向同性均匀介质的情况，此时， 为简单，讨论在无限大各向同性均匀介质的情况，此时，介 电常数(电容率） 磁导率μ是常数，电导率σ=0 σ=0。 电常数(电容率）ε、磁导率μ是常数，电导率σ=0。若电 v 磁场远离辐射源， 封闭曲面内的电荷密度ρ=0， 磁场远离辐射源，则封闭曲面内的电荷密度ρ=0， j =0 因此麦克斯韦方程组可简化为： 因此麦克斯韦方程组可简化为：
第四节 光波的叠加
机械波的独立性和叠加性 在机械振动和机械波中我们已注意到从几个振源发出的 波相遇于同一区域时，只要振动不十分强烈， 波相遇于同一区域时，只要振动不十分强烈，就可以保 持自己的特性（频率、振幅和振动方向等），按照自己 持自己的特性（频率、振幅和振动方向等），按照自己 ）， 原来的传播方向继续前进，彼此不受影响。这就是波动 原来的传播方向继续前进，彼此不受影响。这就是波动 独立性的表现。 独立性的表现。 的表现 在相遇区域内， 在相遇区域内，介质中一点的合位移是各波单独传播时 在该点所引起的位移的矢量和，这就是波动的叠加性。 在该点所引起的位移的矢量和，这就是波动的叠加性。 波动的叠加性 这种叠加性是以独立性为条件的，是最简单的叠加。 这种叠加性是以独立性为条件的，是最简单的叠加。
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二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加 两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加 单色光波 （一）三角函数的叠加 E1＝A1 cos(kr1 − ωt ) E2＝A2 cos(kr2 − ωt ) 令：kr1＝α1，kr2＝α 2 E＝E1＋E2＝A1 cos(α1 − ωt )＋A2 cos(α 2 − ωt )
第一章光的电磁理论基础详解
卷积的规则
g*h = h*g f *(g *h) = ( f * g)*h f *(g + h) = f * g + f *h
时间信号的傅立叶分析 一个一维时间函数的傅立叶变换定义为
∫ F(ν ) = F.T.{ f (t)} = ∞ f (t) exp(−i2πν t)dt −∞
逆变换
∫ f (t) = F.T.−1{F(ν )} = ∞ F(ν ) exp(i2πν t)dν −∞
平面波可以表示为
U (x, y, z) = Aexp(ik ir ) = Aexp[ik(x cosα + y cos β + z cosγ )]
= Aexp[i2π ( fx x + fy y + fz z)]
fx
=
cosα λ
fy
=
cos β λ
fz
=
cos γ λ
等相位面
k ir −ωt = constant
=
0
⎨
⎪⎪⎩∇2 B
−
1 c2
∂2B ∂t 2
=
0
无源波动方程
介质中波动方程
⎧ ⎪⎪∇2 E ⎨
− με
∂2E ∂t 2
=
0
⎪⎩⎪∇2 H
− με
∂2H ∂t 2
=0
或写成
⎧ ⎪⎪∇2 E ⎨
−
1 v2
∂2E ∂t 2
=
0
⎪⎪⎩∇2 H
−
1 v2
∂2H ∂t 2
=0
在无限大均匀介质中没有自由电荷和传导电流，场矢量的每一个 分量都满足齐次波动方程
dreeeerrrrrr5强场作用下的非线性介质边界条件在两种介质界面上电场强度矢量的切向分量连续21rtrtee210neer磁感应矢量的法向分量在界面上连续2r1nnbbr210nbbrg边界条件界面上磁场强度切向分量21ttshhjr21snhhjrr界面上电位移矢量的法向分量21nnrsdrgd21snddrsj自由电流线密度s自由电荷面密度边界条件21nnbdebde21nn21tt21tthh在无损介质的界面上0s0sj无源波动方程22002r2200200eertbbtrr介质中的麦克斯韦方程组0btedthrrjdbrrrrrgg真空中无自由电荷及传导电流00e00dbjehrrrrrr真空中波动方程2222r22221c01c0eertbbtrr或写成无源波动方程22222200eeththrrrr介质中波动方程或写成222222221v01v0eeththrrrr在无限大均匀介质中没有自由电荷和传导电流场矢量的每一个分量都满足齐次波动方程222222221v01v0iiiiethteixyzhixyz这个方程可以有多种形式的解其中最常见的是在直角坐标系中的平面波解在球坐标下的球面波解及在柱坐标系中的高斯光束解
物理光学教程 第一章 光波的基本性质
3.三维简谐平面波 3.三维简谐平面波
波函数取余弦或正弦形式的三维平面波称为三维简谐平面波,它的波函数可 波函数取余弦或正弦形式的三维平面波称为三维简谐平面波, 以表示为: 以表示为:
E(r, t) = E0 cos(k r kvt +0 )
三维简谐平面波的时间参量T,ν,ω和一维简谐波的意义完全相同,而对 三维简谐平面波的时间参量T 和一维简谐波的意义完全相同, 于空间参量,则有其特殊性,需作进一步说明. 于空间参量,则有其特殊性,需作进一步说明.
1.4.1电磁场的边界条件 1.4.1电磁场的边界条件 1.4.2折 1.4.2折,反射定律 1.4.3菲涅耳公式 1.4.3菲涅耳公式 1.4.4全反射的性质及其应用 1.4.4全反射的性质及其应用
§1.3平面电磁波的 1.3平面电磁波的 性质
1.3.1电磁波的横波性质 1.3.1电磁波的横波性质 1.3.2电磁波的矢量性质 1.3.2电磁波的矢量性质
3.物质方程 3.物质方程
D =ε E 1 H = B
式中ε0≈14π 式中ε0≈14π×9×10F/m,是真空的介电常数.P称为电极化强度矢量,它表 ε0≈14π× 10F/m,是真空的介电常数. 称为电极化强度矢量, 示在电场E作用下,单位体积媒质中分子电偶极矩的矢量和. 示在电场E作用下,单位体积媒质中分子电偶极矩的矢量和.
复振幅表示为E(r)=E rexp[j(kr+φ0 复振幅表示为E(r)=E0rexp[j(kr+φ0)](1-71) E(r)=E0 (1-
3.简谐球面波参量的特点 3.简谐球面波参量的特点
(1)振幅 (1)振幅 (2)位相 (2)位相 (3)球面波的空间周期和空间频率 (3)球面波的空间周期和空间频率 上一页 下一页 返回
光的电磁波理论.ppt
0r H 2
电磁波的能流密度－玻印亭矢量 单位时间内通过与波
的传播方向垂直的单位面积的能量。
光强I－玻印亭矢量的大小
S EH
光强I与光矢量E的平方成正比；
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。＜I＞－A2
波动光学中主要讨论光波的相对强度，常将光矢量振幅的 平方称为光强。I＝A2
1.1 光的电磁理论
1.1.1 麦克斯韦方程组 1.1.2 电磁波与光波 1.1.3 光波在各向同性介质中传播速度及 折
射率 1.1.4 电磁波的横波性 1.1.5 光波的能量分布－光强 1.1.6 光源 1.1.7 单色光波及其描述
12/8/2019 返回第1章
第1章 光的干涉
1.1.1 麦克斯韦方程组
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；
初始位相的空间分布与时间无关；
光波的波列在空间上无限延伸、光源发光时间无限长。
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；
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、无限长的平面单色光波的 线性组合而成的。
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。
12/8/2019
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第1章 光的干涉
光的颜色与频率的对应关系
颜色 中心频率/Hz 中心波长/nm
红
4.5×1014
660
橙
4.9×1014
610
黄
5.3×1014
570
绿
5.5×1014
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James Clerk Maxwell
概括（电磁）光波的特性如下：
1、光波是横波，E和B都与传播方向K垂直
2、E和B相互垂直，E×B沿波矢K方向，构成右手螺旋系
3、E和B同相（同时达到极大值和极小值），振幅比为V
0=⋅E k v v 0=⋅B k v v E B k v v v −→×B E k v v v →×由上可见E 和B 都与传播方向K 垂直，光波是横波，具有偏振性质，偏振是横波所特有的一个属性
4、光波的偏振态
横波、纵波：依振动方向与波的传播方向是垂直还是平行光波的横波性，只规定了光矢量E位于与传播方向垂直的平面内，并没有限定E 在该平面内的具体振动方式，这种具体振动方式（振幅与相位随方向的分布）称为光的偏振态
发光的微观机制及特点
原子发光是一个复杂的量子过程．粗略的讲，原子（或分子）每次发射的光波的波列都是有限长的，波列的长度与它们所处的环境有关，受其他原子作用越强，发射波列越短．即使在稀薄的气体中，外界作用可忽略情况下．发射的波列持续时间，也不会大于10-8秒．
其次，普通光源发光是随机过程，每个原子（或分子）先后发射的不同波列，以及不同原子发射的各个波列，彼此间在振动方向和相位上没有什么联系．因此普通光源发光，是不相干的．普通光源是非相干光源．
Wavelengths and frequencies of visible light
The eye’s response to light and color
The Ultraviolet
The UV is usually broken up into three regions, UVA (320-400 nm), UVB (290-320 nm), and UVC (220-290 nm).
UVC is almost completely absorbed by the atmosphere.
You can get sun burned by all three ！。