1、精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-221孫利群孫利群教授辦公室：教授辦公室：3104# 光學工程基礎光學工程基礎物理光學物理光學精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-222物理光學與幾何光學的關系物理光學與幾何光學的關系20幾何光學：不涉及光的物理本性將光視為傳輸能量的幾何線（光線）物理光學在波長趨于 時的一種近似光學光的干涉波動光學 光的衍射物理光學： 研究光的本質光的偏振量子光學精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-223緒論：物理光學的研究對象緒論：物理光學的研究對象3量子光學電磁光學波動光學幾何光學?光（物質）的基本屬性光（物

2、質）的基本屬性?光的傳播規律光的傳播規律?光與其它物質之間的相互作用光與其它物質之間的相互作用精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-224物理光學（波動光學）研究內容物理光學（波動光學）研究內容4光在光在各向同性各向同性媒質中的傳播規律（折射、反射、吸收、色散、散射）；傳播過程中媒質中的傳播規律（折射、反射、吸收、色散、散射）；傳播過程中光波疊加光波疊加（干涉）時、（干涉）時、光波受阻光波受阻（衍射）時的現象、規律；在（衍射）時的現象、規律；在各向異性各向異性媒質中的傳播規律（偏振、雙折射）媒質中的傳播規律（偏振、雙折射）現象現象&規律規律精密儀器系精密儀器與機械

3、學系精密儀器與機械學系2013-4-225物理光學的應用物理光學的應用5精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-226物理光學的應用物理光學的應用6精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-227課程的性質及學習方法課程的性質及學習方法?性質：性質：技術基礎課技術基礎課?課程側重：課程側重：基本物理現象、物理概念、物理規律、物理理論及應用的闡述；基本物理現象、物理概念、物理規律、物理理論及應用的闡述；?為學習后繼專業課程及進一步深造打基礎為學習后繼專業課程及進一步深造打基礎?學習方法：學習方法：以基本現象、理論、規律、應用為主線，注重對物理概念的理解以基本現象、理論

4、、規律、應用為主線，注重對物理概念的理解7要求與安排：課內外學時比例要求與安排：課內外學時比例 1 : 1.5獨立、按時、按量完成作業獨立、按時、按量完成作業精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-228參考書參考書精密儀器系1. 鐘錫華，現代光學基礎，北京：北京大學出版社，鐘錫華，現代光學基礎，北京：北京大學出版社，20032. 梁銓廷，物理光學（第梁銓廷，物理光學（第3版），北京：電子工業出版社，版），北京：電子工業出版社，20113. e. hecht, optics (4th ed.) , new york: addison-wesley, 20024. max b

5、orn, emil wolf, principle of optics, 6th ed.波恩波恩, 沃耳夫著，光學原理沃耳夫著，光學原理(上上/下下)，楊葭蓀等譯，北京：科學出版社，楊葭蓀等譯，北京：科學出版社， 2005 (第第7版版)精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2299光的電磁理論是經典光學、現代光學的基礎光的電磁理論是經典光學、現代光學的基礎精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2210本章重點：本章重點：?光的電磁性質光的電磁性質?光在均勻媒質中傳播的基本規律光在均勻媒質中傳播的基本規律?光在介質表面的反射和折射光在介質表面的反射和折射?光波

6、的疊加光波的疊加10預備知識:1、普通物理：電磁學2、工程數學：矢量運算、場論基礎精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-221111精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2212121、 maxwell 方程組方程組2、物質方程、物質方程3、電磁場的波動性、電磁場的波動性一、電磁場的波動性一、電磁場的波動性精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2213?1、 maxwell 方程組方程組：130dbbetdhjt = = = =+urururururuu rrdebhj：電感強度：電場強度：磁感強度：磁場強度：電荷密度： 傳導電

7、流密度精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2214maxwell 方程組的意義方程組的意義?揭示了：揭示了：?電場、磁場的性質電場、磁場的性質?電流、電場、磁場之間相互激勵的關系電流、電場、磁場之間相互激勵的關系14000 xyzxyz+vvvt精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-22152、物質方程、物質方程(在電磁場作用下物質特性的關系式在電磁場作用下物質特性的關系式)15debhje=uru ru ruu rru r:介電常數磁導率電導率00 1 =rrr非鐵磁介質 12220722008.8542 10/410/cn mn sc真空中精密

8、儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2216?物質方程給出了媒質的電學和磁學性質是光與物質相互作用時媒質中大量分子平均作用的結果。物質方程給出了媒質的電學和磁學性質是光與物質相互作用時媒質中大量分子平均作用的結果。16精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-22173、電磁場的波動性、電磁場的波動性?由由maxwell方程得出結論：方程得出結論：?（1）任何隨時間變化的磁場周圍空間都會產生變化的電場，具有渦旋場的性質。）任何隨時間變化的磁場周圍空間都會產生變化的電場，具有渦旋場的性質。?（2）任何隨時間變化的電場（位移電流）都會在周圍空間產生變化的磁場，

9、是渦旋場。）任何隨時間變化的電場（位移電流）都會在周圍空間產生變化的磁場，是渦旋場。17精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2218?結論：變化的電場與變化的磁場緊密相連，互相激發，交替產生，在空間形成統一的場結論：變化的電場與變化的磁場緊密相連，互相激發，交替產生，在空間形成統一的場電磁場電磁場18變化的電磁場在空間可以一定的速度向周圍空間傳播出去，電磁場由近及遠地傳播，形成電磁波變化的電磁場在空間可以一定的速度向周圍空間傳播出去，電磁場由近及遠地傳播，形成電磁波精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2219電磁場的波動方程電磁場的波動方程?無限

10、大各向同性均勻介質中， 、為常數，?不存在自由電荷和傳導電流，（遠離輻射源的區域，或變化的電磁場脫離產生它的源的區域）190=00j ，00beetebbt= =vvvvvv精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-22202000ebbetebt= =vvvvvv()()()()()2220eebtteeee = = =vvvvvvv波動微分方程波動微分方程22222200eetbbt=vvvv精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-222121拉普拉斯算符: 拉普拉斯算符: 2222222xyz = =+222222222222222200eeeexy

11、zthhhhxyzt+=+=ururururuu ruu ruu ruu r波動微分方程波動微分方程一維情況：一維情況：22220,0eexy=urur22220eezt=urur精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2222?類比簡諧機械波：滿足的波動方程：22cos()zsatv=u ru r2222210sszvt=u ru r真空中傳播速度：實測值：真空中傳播速度：實測值：8002.99791/4 10/cm s =8252.91970/9cm s=1/v=21/v=e b、精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-222323電磁場與靜電場、靜

12、磁場的不同電磁場與靜電場、靜磁場的不同精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-222424介質的折射率：00rrcnv =非鐵磁介質：1rrn=精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-222525電電電電磁磁磁磁波波波波譜譜譜譜可見光波長范圍可見光波長范圍 400760 nm可見光光譜可見光光譜可見光光譜可見光光譜精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2226261、平面波解、平面波解2、單色平面波解、單色平面波解3、單色平面波波函數的表達式、單色平面波波函數的表達式4、單色平面波的性質、單色平面波的性質二、平面電磁波及其性質二、平

13、面電磁波及其性質精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-222727、eb精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2228()()zzffttvv+、 是以 、 12?為變量的任意矢量函數為變量的任意矢量函數波函數波函數1、平面波解、平面波解?設平面波沿設平面波沿z方向傳播，則波動方程為：方向傳播，則波動方程為：28bbzvt=urur2222210eezvt=urur2222210,zzttvv=+()()()()zzzzeftfthftftvvvv+1212?令，則方程的解為令，則方程的解為精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-

14、2229?以( ) 和 ( ) 為變量的波函數具有傳播的特性29ztvztv+t1t2時刻場點的振動是源點在t1時刻的振動源點源點v()zttv= +21場點場點取正向傳播：11()()zzefthftvv=uruu r行波表示行波表示: 源點的振動經過一定的時間推遲才傳播到場點，電磁場是逐點傳播的。源點的振動經過一定的時間推遲才傳播到場點，電磁場是逐點傳播的。精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-22302、單色平面波解、單色平面波解?波動方程具有線性性質（只要每個諧波分量滿足）平面波解波動方程具有線性性質（只要每個諧波分量滿足）平面波解波函數可以作傅立葉諧波分解波函數

15、可以作傅立葉諧波分解30()zftvr?諧波函數矢量形式：諧波函數矢量形式：cos()zetva=+rrcos()zhtva=+rr?：相位是時間和空間坐標的函數表示平面波在不同時刻空間各點的振動狀態相位是時間和空間坐標的函數表示平面波在不同時刻空間各點的振動狀態()ztv+精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2231?物理量關系：物理量關系：31t=122vt=?引入：引入：波傳播方向上的波矢量波傳播方向上的波矢量其大小其大小k （空間角頻率或波數）（空間角頻率或波數）與與、及、及的關系：的關系：kr/kv =2cos()cos()zteakztat2?波動公式波動公

16、式:精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2232?具有單一頻率、 在時間和空間上無限延伸的波具有單一頻率、 在時間和空間上無限延伸的波32=/k12精密儀器系cos()cos()zteakztat2精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-223333、v或c?波在傳播過程中位相保持不變波在傳播過程中位相保持不變?平面波平面波: 等相位面是平面，波面的法線為光線波長與介質的關系：等相位面是平面，波面的法線為光線波長與介質的關系：0cctnvvt=0n=精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2234?相速度相速度v：等相位面（波面）傳播速度：

17、等相位面（波面）傳播速度4/26/201034.kztconst+=0kdzdt=dzvdtk=?單色平面波的特點：單色平面波的特點：空間周期性空間周期性和和時間周期性時間周期性時間和空間上是無限的時間和空間上是無限的?任何時間和空間周期的破壞，任何時間和空間周期的破壞，單色性單色性遭到破壞遭到破壞?平面波的振幅或位相若受到時間或空間的調制它的平面波的振幅或位相若受到時間或空間的調制它的單色性單色性和和平面性平面性都受到破壞都受到破壞精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-22353、單色平面波波函數的表達式、單色平面波波函數的表達式?波矢量波矢量:平面波傳播方向，平面波傳

18、播方向，k: 波數波數方向余弦方向余弦4/26/201035kr0kkk=rr0coscoscosjkki+=rrrr?一般表達式一般表達式cos()cos( coscoscos )eak rtak xyzt=+rrrrr精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2236?復數表達式復數表達式?復振幅表達式（只考慮光振動的空間分布時用）復振幅表達式（只考慮光振動的空間分布時用）4/26/201036exp()eaitk r=rrrrexp()exp(coscoscos)=+eaikraik xyzrrrr精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-22374、

19、單色平面波的性質、單色平面波的性質?設平面波（單色）：設平面波（單色）：37exp()exp()eaitk rhaitk r=uru rr ruu ruu rr r?麥克斯韋方程組為：麥克斯韋方程組為：00dbbeteht= =uru ru rururuu r00k ek hkehkhe= r urr uu rruruu rruu rurikiteikeeiet = =rrurrrur精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2238?結論：結論：?橫波特性：光波為橫波特性：光波為橫波橫波電、磁矢量的方向均垂直波的傳播方向電、磁矢量的方向均垂直波的傳播方向?成右手系成右手系且

20、互相垂直且互相垂直38(),( )ke dh brur uruu r u r，ekhkurruu rr精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2239?、 之間的數量關系：、 之間的數量關系：正實數，正實數， e 和和h 始終同位相始終同位相39ehuruu rkeh=r uruu rkeh=lleh=eh=1evb=001()()bkekev=vvvvv精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2240401、球面波、球面波2、柱面波、柱面波三、球面波和柱面波三、球面波和柱面波精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2241?1、球面波、球面波?以波源為中心的球面上具有相同的電磁場值，以波源為中心的球面上具有相同的電磁場值，?波沿徑向傳播，波沿徑向傳播，?波場值（電磁波）只與波源的遠近和時間有關 ，而與傳播方向無關。波場值（電磁波）只與波源的遠近和時間有關 ，而與傳播方向無關。41,e r t（）精密儀器系精密儀器與機械學系精密儀器與機械學系2013-4-2242?球面波解：