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1、物 理 光 学,绪论,1.物理光学的研究对象和内容,光学是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作用的学科。,光学,几何光学,物理光学,现代光学,波动光学,量子光学,几何光学：基于“光直线传播”的概念讨论光的传播规律。,几何光学三个基本定律（直线传播，折射、反射定律）。,是光波衍射规律的短波近似。,它们在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。,几何光学主要是从直线传播，折射、反射定律等实验定律出发，讨论成像等特殊类型的传播问题。,波动光学：研究光的波动性（电磁波）的学科。主要内容有光的干涉、衍射、偏振，光在各向同性介质中的传播规律及光在各向异性介质中的传播规律。,研究光的波动性（干涉、衍射、
2、偏振）以及用波动理论对光与物质相互作用进行描述的学科。基本问题：在各种条件下的传播问题。基本原理：惠更斯-菲涅耳原理。波前：原为等相面，现泛指波场中的 任一曲面，更多的是指一个平面。主要方法：如何描述、识别、分解、改造、记录和再现波前，构成了波动光学的主要方法。,量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。,把光视为一个个分立的粒子（光子）,它主要用于分析辐射、光发射以及光与物质的相互作用。在这领域内有时可用经典理论，有时需用量子理论。对于这类原不属于传统光学的内容，有人冠之以“量子光学”名称，也有人把它们仍归于物理光学之内。,现代光学：20世纪后半期发展起来的光学体系。,1948年全息术的提出，
3、1955年光学传递函数的建立，1960年激光的诞生为其发展中的三件大事。薄膜光学的建立，源于光学薄膜的研究和薄膜技术的发展；傅立叶光学的建立源于数学、通讯理论和光的衍射的结合；它利用系统概念和频谱语言来描述光学变换过程，形成了光学信息处理的内容集成光学源于将集成电路的概念和方法引入光学领域；,非线性光学源于高强度激光的出现、它研究当介质已不满足线性叠加原理时所产生的一些新现象，如倍频,混频,自聚焦等;对光导纤维的研究形成了光纤光学或导波光学;导波光学,电子学和通讯理论的结合使得光通信得到迅速发展和应用,成为人类在20世纪最重要的科技成就;非线性光学,信息光学及集成光学等理论与技术的结合可能会导
4、致新一代计算机光计算机的诞生.,2.物理光学的应用,测控，通信，医疗，信息处理，光学设计。,3.波粒二相性,第一章 光波的基本性质,1.1 光的电磁理论基础,光的电磁理论的提出是人们在电磁学方面已有了深入研究的结果。1864年麦克斯韦把电磁规律总结为麦克斯韦方程组，建立起完整的经典电磁理论，同时指出光也是一种电磁波，从而产生了光的电磁理论。到目前为止，它仍然是阐明大多数光学现象以及掌握现代光学的一个重要基础。,1.麦克斯韦方程组和物质方程,1).积分形式的麦克斯韦方程组,2).微分形式的麦克斯韦方程组,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，
5、时变电场和时变磁场构成了不可分割的统一整体电磁场。,2.物质方程,式中，为介电常数，描述媒质的电学性质，是真空中介电常数，是相对介电常数;为介质磁导率，描述媒质的磁学性质，是真空中磁导率，是相对磁导率；为电导率，描述媒质的导电特性,真空中0。,3.电磁场的波动性,麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，指出随时间变化的电场将在周围空间产生变化的磁场，随时间变化的磁场将在周围空间产生变化的电场，变化的电场和磁场之间相互联系，相互激发，并且以一定速度向周围空间传播。因此，时变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播的电磁波。,讨论无限扩展的均匀、各向同性、透明、无源的媒质,将上页第二式两端对时间求导
6、并交换左端的求导次序，得：,将上页第一式代入上式，并考虑到：,得到：,注释：,同理可得：,一维情况下：,若令：,可将以上两式变化为：,此即为交变电磁场所满足的典型的波动方程，它说明了交变电场和磁场是以速度v传播的电磁波动。由此可得光电磁波在真空中的传播速度为：,为表征光在介质中传播的快慢，引入折射率：,除铁磁性介质外，大多数介质的磁性都很弱，可以认为r1。因此，折射率可表示为,此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质，r或n都是频率的函数，具体的函数关系取决于介质的结构。,电磁波谱 自从19世纪人们证实了光是一种电磁波后，又经过大量的实验，进一步证实了X射线、射线也都是电磁波。它们的电磁特性相同，只
7、是频率(或波长)不同而已。如果按其频率(或波长)的次序排列成谱，称为电磁波谱，如表1-1所示。通常所说的光学区域(或光学频谱)包括红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高(10121016Hz)，数值很大，使用起来很不方便，所以采用波长表征，光谱区域的波长范围约从1 mm到10 nm。人们习惯上将红外线、可见光和紫外线又细分为：,1.2 平面电磁波,波动方程1.8或1.9的解可以是多种多样的。它的解由边界条件和初始条件决定。这其中最重要的是平面简谐波和球面简谐波。,波面：波传播时，任何时刻振动位相总是相同的点所构成的面。,先看几个定义：,波面形状为平面的光波称为平面波。,空间各点都以同一频率作
8、正弦或余弦振动的平面波叫做时谐平面波，或称平面简谐波。,简谐波可称为单色波。,1.2.2 平面简谐波（一维情形）,一维简谐波波函数可表示为：,（1）空间参量,空间周期,波长,空间频率,空间角频率,空间角频率k又称为波数。,（2）时间参量,时间周期,时间频率,时间角频率,（3）时间参量和空间参量之间的关系,时间参量和空间参量通过速度v相联系，它们之间的关系是：,（4）简谐波的相位和相速度,对上式两边微分一下：,令：,可以得到光波的相速度：,1.2.3 一般坐标系下的波函数（三维情形）,三维空间中的点用位矢来 表示：,方程的解形式可为：,其中：,注释：平面波就是指等相位面是平面的波。同样也可以定义
9、球面波、柱面波等等。,称为波矢。,引入波矢的概念后，三维波函数可简写为：,对于三维简谐波，可写成正弦或余弦的形式：,和一维简谐波相比较，由于只是空间不同，所以波函数的时间参量不变，但是空间参量需要进一步明确。,1.空间周期：,O,Ob方向的空间周期为：,在三个坐标轴方向上方向的空间周期为：,分别是波矢K和三个坐标轴的夹角。,2.空间频率：,三维简谐平面波的空间频率仍然定义为空间周期的倒数。,f 固有空间频率。,和一维情况下不同，空间频率与观察方向有关，在Ob方向上的空间频率为：,在三个坐标轴方向上方向的空间频率为：,又称为三维简谐波固有空间频率 f 的坐标轴分量。,光波的空间频率分量反映了波的
10、传播方向，所以可以根据光的波长和空间频率分量写出波函数：,令z0，就可以得到光波在（x,y）平面的分布：,1.2.4 简谐波的复指数表示与复振幅,根据欧拉公式：,其中：,将一维简谐波波函数表示为复指数取实部的形式：,在不引起误解的情况下，可省去取实函数符号“Re”，,复指数表示法的优越性：,可以分离波函数中的空间位相因子和时间位相因子。,对于单色波照明的情形，空间任意点的光振动的频率都相同，差别仅仅是由于空间差异而引入的位相差。因此，这样我们就略去处处相同的时间位相因子，而只用复振幅表示光场。,可以简化运算。,三维简谐波的复指数表示,复振幅：,下面讨论一下平面简谐波投射在一个平面上，这个平面上
11、的光场分布。,波矢k的方向余弦为,在z=0（XOY）平面上光场复振幅：,这表明，z=0平面上任意两点的位相差仅仅由x来决定。,如图所示：,可以利用复振幅方便地求光强度，,此公式也适用于非单色光。,共轭光波，也就是与原复振幅共轭的复振幅所描述的光波。,以图1.5的情形为例，z=0平面上的复振幅为：,其共轭为：,其中的也是入射光波的入射角。,显然，这时入射光波的入射角变成了-。如图1.6所示。,除此之外，共轭光波也可以是与原光波传播方向相反的光波。,光波的分类,1.标量波和矢量波,是指描述光波的波函数E是矢量还是标量。,电场强度和磁感应强度都是矢量，所以光波在本质上是矢量波。,对于一些简单的情况，可以把光波当做标量波来处理。,2.横波与纵波,光波中包含有电场矢量和磁场矢量，从波的传播特性来看，它们处于同样的地位，但是从光与介质的相互作用来看，其作用不同。在通常应用的情况下，磁场的作用远比电场弱，甚至不起作用。例如，实验证明，使照相底片感光的是电场，不是磁场；对人眼视网膜起作用的也是电场，不是磁场。因此，通常把光波中的电场矢量E称为光矢量，把电场E的振动称为光振动，在讨论光的波动特性时，只考虑电场矢量E即可。,
