光学基础知识与光场传播规律课件.ppt

1、 光电子技术基础与应用 第二章 光学基础知识与光场传播规律 第二讲物理与微电子科学学院School of Physics and MicroelectronicsScience 2012 年 02 月绪论（回顾第一讲内容） 1光电子技术发展简史 光电子技术 信息光电子技术与器件 1.1 1.3 1.2 光电子技术应用 1.4 第二讲 光电子技术是光子技术与电子技术结合形成一门技术 中的运动与控制光子在自由空间或物质光子与物质的相互作用光子的特性光子技术的研究对象中的运动与控制电子在自由空间或物质电子与物质的相互作用电子的特性电子技术的研究对象光电子技术研究对象 光与物质中电子相互作用及能量相互

2、转换相关技术， 是光波段电子技术光波段（红外线、可见光、紫外线和软 X 射线）1.1 光电子技术1.2 光电子技术发展简史1.3 信息光电子技术与器件1.4 光电子技术应用第一阶段 光电探测器（光电信号接收）问世： 第二阶段 激光器诞生及发展： 第三阶段 低损耗光纤问世 1970年：p 美国研制损耗20dB/km石英光纤和室温连续工作激光二极管，光纤通信为现实，这一年公认“光纤通信元年” 1960年：p 梅曼研成世界第一台激光器红宝石激光器。后，各种固、气、液、半导体激光器相继出现 内（外）光电效应发现，到出现光电管，再到温差型红外探测器和测辐射热计 1.1 光电子技术1.2 光电子技术发展简

3、史1.3 信息光电子技术与器件1.4 光电子技术应用按信息传递各个环节划分对应相应技术器件 1.1 光电子技术1.2 光电子技术发展简史1.3 信息光电子技术与器件1.4 光电子技术应用1.军事应用 2.激光器及应用 3.CCD（电荷耦合）器件及应用 4.光纤技术及其应用 5.光存储 21世纪3T目标：传输速度 处理速度 存储速度 u 光纤通信取得辉煌成就领域 u 光 计 算努力方向 u 光 存 储努力方向 u 光 传 感部分方面取得实用成就 1.1 光电子技术1.2 光电子技术发展简史1.3 信息光电子技术与器件1.4 光电子技术应用光调制技术光信息系统的信号加载与控制（七、八、十讲） 光电

4、显示技术（十三、十四、十五讲） 光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲）光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲）绪论（一讲） 1光学基础知识与光场传播规律（二讲） 2激光原理与技术（三、四、五讲） 3光波导技术基础（六、七讲） 4第二讲 讲授内容 表面等离子体共振现象与应用的探究（二十三讲） 5光电探测技术（十一、十二讲） 678910 连续可调太赫兹超常材料宽带低损超吸收器（二十四讲） 11 绪论 1光学基础知识与光场传播规律 2光学基础知识 2.1 2.3 2.2 2.4 2.5 麦克斯韦方程 电解质 波动方程 光波的表示与传播特性光波的表示与传播特性 2.6 2.1光学基础知识

5、2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 1.微粒说 2.波动说 3.光的电磁理论 4.波粒二象性 微粒说： p 由光直线传播性质，牛顿牛顿1704年在光学提出光是微粒流理论。认为微粒从光源飞出，在真空或均匀物质内由惯性做匀速直线运动，解释光反射定律和折射定律； p 十七世纪开始，发现有与光直线传播不完全符合事实； u 格里玛第格里玛第、胡克胡克观察到衍射现象； 波动说： p 惠更斯惠更斯1678年论光提出光在“以太”中

6、传播的波，提出光波动次波原理，解释折射折射、反射定律反射定律，方解石双折射定律方解石双折射定律。没提到波长波长、相位相位； p 1815年，菲涅耳菲涅耳用杨氏杨氏干涉原理补充惠更斯惠更斯原理，惠更斯惠更斯菲涅耳菲涅耳原理； p 1808年，马吕马吕发现光在两种介质表面上反射时偏振偏振现象； p 杨氏杨氏1817提出光是横波光是横波假设； p 菲涅耳菲涅耳完善这个观点导出菲涅耳菲涅耳公式； 波动说理论： p 既解释光直线传播，光干涉、衍射现象， p 又解释光偏振现象； 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基

7、本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 1.微粒说 2.波动说 3.光的电磁理论 4.波粒二象性 光电磁理论关于光本性现代学说，说明光本质是电磁波理论电磁波理论及光与光与物质相互作用规律物质相互作用规律。 19世纪60年代麦克斯韦提出，把光看成 在某一范围电磁波。 能解释：p 光传播、干涉、衍射、散射、偏振现象，光还有粒子性，不能解释光电效应、康普顿康普顿效应物理现象。 内容涉及： 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.

8、2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 1.微粒说 2.波动说 3.光的电磁理论 4.波粒二象性 p光的电磁波性质、 p单色平面波和球面波、 p光源和光的辐射、 p光在介质界面上的反射和折射、 p全反射和隐失波、 p光在金属表面的透射和反射、 p光的吸收、 p色散和散射、 p单色光波的叠加和干涉、 p不同频率光波的叠加、 p复杂波的分解 波粒二象性： u 光电磁理论困难不能解释光和物质相互作用某些现象。 u 炽热黑体辐射中能量按 分布问题。特别是1887赫兹赫兹发现光电效应； p 1900年普朗克普朗克提出辐射量子理论 能量不连续 能量大小

9、=h 整数倍 p 1905年爱因斯坦爱因斯坦提出光量子理论（光子理论），解释光电效应光电效应。 p 光波动性：光干涉、衍射和偏振 p 光粒子性：黑体辐射、光电效应 p 光同时具波粒二象性 光电效应 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 1.微粒说 2.波动说 3.光的电磁理论 4.波粒二象性 折射、反射定律包括两方面的内容 全反射 a) 折射、反射光位于入射光与界面法线决定平面内 b) 折射率满足

10、， c) 反射角=入射角 （临界角） 112211sinsinBcnn2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 a) 光从光密介质向光疏介质入射n1n2 b) 入射角临界角 1 c 12sinnnc入射光能量全部被界面反射回光密介质（光纤工作原理） n2 n1 1122sinsinnn 2=90 折射、反射定律包括两方面的内容 全反射 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程

11、 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 折射折射 反射反射 独立性原理 叠加性 相干性（干涉） u 波动三个特性独立性，叠加性，相干性 独立性原理 p 两列光波在空间交叠，各自传播互不干扰，各自独立按照自己原来传播方向继续前进，彼此不受影响； p 是波独立传播定律； 叠加性 p 波独立传播定律成立前提下，两列或多列波同时存在，它们交叠区域内每点振动是各列波单独在该点产生振动合成， p 是波叠加原理。 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方

12、程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 p 两列波产生相干条件 a) 相同 b)存在相互平行振动分量 c)位相差恒定 p 两个沿同一直线简谐振动， 相同，位相相同 p 叠加原理 )cos()cos(222111tAEtAE2221121112212221221coscossinsintan)cos(2)cos(AAAAAAAAAtAEEE独立性原理 叠加性 相干性（干涉） 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播

13、特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 2202212122102212122102122121221112cos()12cos()2cos()tttIAA dttAAA AdttAAA AdttIAAA Ap 位相差恒定， 与时间无关： p 平均强度 干涉项 2221121112212221221coscossinsintan)cos(2)cos(AAAAAAAAAtAEEE叠加原理 独立性原理 叠加性 相干性（干涉） 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程

14、 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 22112)(3, 2, 1, 0,2AAImm p 讨论： a) 两振动位相相同 合振动平均强度最大值（干涉相长） b) 两振动位相相反 22112)(3, 2, 1, 0,) 12(AAImm 合振动平均强度最小（干涉相消） )cos(212212221AAAAI平均强度 2- 1 与 t 无关 独立性原理 叠加性 相干性（干涉） 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播

15、特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 干涉项 光的衍射现象 惠更斯 菲涅尔原理 a) 窗外说话，窗内人听见（声波）； b) 无线电波绕过山障碍物，山区能接收到电台广播（电磁波）； c) 光波照射不透明障碍物，形成影子（人）； 说明什么？ 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 光的衍射现象

16、惠更斯 菲涅尔原理 菲涅耳菲涅耳衍射（近场衍射） 夫琅和费夫琅和费衍射（远场衍射） (1) 将波前上每个面元看做次波源； (2) 空间某点P振动是所有次波在该点相干叠加； 原理 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 光的衍射现象 惠更斯 菲涅尔原理 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折

17、射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 p 一束光射在一个小圆孔上，距孔12m放一块毛玻璃屏，观察小圆孔衍射花样。 p 点光源发出光通过圆屏边缘衍射现象。 O点光源，光路有不透明圆屏， 讨论P点振幅。菲涅耳菲涅耳衍射（近场衍射） 夫琅和费夫琅和费衍射（远场衍射） u 夫琅和费单缝衍射装置及现象：夫琅和费单缝衍射装置及现象： 1. 实验装置：(1) 单一小狭缝； (2) 满足夫琅和费夫琅和费条件； 2. 实验现象：(1) 衍射条纹成明暗相间对称分布； (2) 中间条纹又亮又宽，其余从中间向两边，亮度减小； (3) 衍射条纹与入射光 、单缝宽度有关。

18、fP0*Of BAx光的衍射现象 惠更斯 菲涅尔原理 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 菲涅耳菲涅耳衍射（近场衍射） 夫琅和费夫琅和费衍射（远场衍射） 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 kka)sinsin(aksinsin), 3 , 2 , 1(k暗纹暗纹 则则 例：例：图示，一波长 单色平面波沿

19、与缝平面法线 角方向射到宽a单缝AB上； 解：解：狭缝两边缘处，衍射角 两光光程差为： )sinsin(a求：求：写出各级暗条纹对应衍射角 满足条件； AB asinasin光的衍射现象 惠更斯 菲涅尔原理 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 纵波：波振动方向和振动方向相同； 横波：波振动方向和振动方向垂直； 振动方向对于传播方向不对称性叫偏振。 由自然光得到偏振光过程称起偏，所用器件起偏器起偏器； 该器件用来检验某一束光是否为偏振光，称检偏器检偏器。 u 光偏振态包括：p自然光， p线偏振光， p部分偏振光， p圆偏振

20、光和 p椭圆偏振光； 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 自然光 自然光在光传播方向平面沿各方向振动矢量都有，各方向概率相等随机分布； 线偏振光 光矢量只沿某一固定方向振动光为线偏振光。偏振光振动方向与传播方向组成平面称振动面振动面； 部分偏振光 部分偏振光在光传播方向平面内沿各方向振动的光矢量都有，振幅不对称， 某一方向振动较强，与它方向振动弱； 圆偏振光 光矢量端点在光传播方向截面内描绘出圆

21、形轨迹圆形轨迹； 椭圆偏振光 光矢量端点在光传播方向截面内描绘出椭圆轨迹椭圆轨迹。 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 自然光 光路插入检偏器，屏上光强减半，检偏器旋转，屏上亮暗无变化 线偏振光 检偏器旋转一周，光强两强两弱，自然光经过起偏器转变成线偏振光部分偏振光 检偏器旋转一周，屏上光强两强两弱 圆偏振光检偏器旋转一周，光强无变化 椭圆偏振光检偏器旋转一周，光强两强两弱 2.1光学基础知识

22、2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.1.1 光的基本属性 2.1.2 折射、反射、全反射 2.1.3 光的独立传播原理与干涉2.1.4 衍射 2.1.5 偏振 (1) 麦克斯韦微分方程 0BDtDJHtBE2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 D 电位移矢量 J 电流密度矢量P 电极化强度 电荷密度 1. 电场强度旋度旋度=该点处磁感强度变化率负值 2. 磁场强度旋度旋度=该点处传导电流密度与位移电流密度矢量和 3. 电位移散度散度=该点处自由电荷体密度 4. 磁感

23、强度散度散度处处为零 1 2 3 4 麦克斯韦麦克斯韦方程组是麦克斯韦麦克斯韦把稳定电磁场稳定电磁场（静电场和稳恒电流的磁场）基本规律推广到不稳定电磁场不稳定电磁场普通情况得到的。 (2) 物质方程 sJEJHMHBEPED0002.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 介电常（或电容率）= r 0 磁导率，非铁磁物质= 0 电导率 J 电流密度 Js 面电流 密度 描述物质在场作用下特性的关系式。 n 给出媒质电学和磁学性质，是光与物质相互作用时媒质中大量分子平均作用结果。 n 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组和物质方程物质方程

24、组成一组完整方程组，用于描述时变场情况电磁场普遍规律。 2.3.1 电介质的特性 2.3.2 电介质的分类 形成宏观束缚电荷现象称电极化； 能产生电极化物质称电介质。 极化强度：极化强度： 介质折射率：介质折射率： 关系不同，介质呈不同特性： 线性特性非色散特性均匀性各向同性空间非色散性 线性关系， 常数（磁化率）； t时刻 只与此刻 有关，与前面时刻 无关； 关系与位置无关，任何一处 都是常数； 关系与矢量 取向无关，此时 平行； 某一位置r处P与该位置E有关，与其它位置处E无关。 10rnEPEP与EP与EEPEP与EP与EP与),(trE2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解

25、质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 线性特性 非色散特性 均匀性 各向同性 空间非色散性 简单电介质 线性，非色散，均匀，各向同性； 非均匀介质 只是非均匀， 关系与r 有关，不同r 处 不同，n 不同； 各向异性介质 P与E方向不一致。P与E关系与E取向有关。不同方向极化率不同，折射率不同。这种介质中某些方向易极化，另一些难极化； 非线性介质 P与E关系不只与E一次项有关，与它高次项有关； 色散介质 极化响应不是即时的，与前一时刻E有关。 EP与2.3.1 电介质的特性 2.3.2 电介质的分类 简单电解质 非均匀介质 各向异性介质 非线性介质 色散介质 2.1光学基

26、础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 )4(0)3()2() 1 (BDtDJHtBE)()()(000cJEJbHMHBaEPEDs波动方程（麦克斯韦微分方程） 把(b)带入(1)得 两边取旋度 左端利用矢量运算 右端把(2)和(c)带入得 EEEMHtEMHtE200)()()()()()()(0002202MttJtEtDEEs2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 D 电位移矢量 J 电流密度矢量P 电极化强度 电荷密度 介电常= r 0 磁导率，非铁磁物质

27、= 0 电导率 J 电流密度 物质方程 阻尼项 2.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程线性，非色散，均匀，各向同性电介质同样得磁场方程tJtEtEcnEnEPEEEDs00222220111)()(sJtHtHcnH022222波动方程)()()(000cJEJbHMHBaEPEDs2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 )4(0)3()2() 1 (BDtDJHtBE波动方程波动方程物质方程 麦克斯韦微分方程 电场方程电场方程 磁场方程磁场方程 不导电介质中有源波动方程 不导

28、电介质中无源波动方程 有源扩散方程 无源扩散方程 恒定场 tJtEcnEJtHcnHss0222222222210 有源波动方程 无源波动方程 00002222222222tEcnEtHcnHJs场辐射来源于源激励波动方程tJtEtEcnEs00222221sJtHtHcnH0222222.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 tJtEtEcnEs00222221sJtHtHcnH022222电导率（电荷密度 , 电流密度J不为0） 电荷密度

29、 （电荷密度 、电流密度 J=0） ssJtHHtJtEEtEtH02002222210, 0, 0 有源扩散方程 无源扩散方程 000202tHHtEE系统为低频缓变电磁场 tJtEtEcnEs00222221sJtHtHcnH022222不导电介质中有源波动方程 不导电介质中无源波动方程 有源扩散方程 无源扩散方程 恒定场 2.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 波动方程tJtEtEcnEs00222221sJtHtHcnH022222

30、（电导率 , 电荷密度 , 电流密度J不为0） （电导率 0 0, 电荷密度 、电流密度 J=0） ssJHJHEEtt222210, 0 恒定场 不随时间变化场 sHJHHHHHHHH )()()()()(2022不导电介质中有源波动方程 不导电介质中无源波动方程 有源扩散方程 无源扩散方程 恒定场 2.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 波动方程tJtEtEcnEs00222221sJtHtHcnH022222高频低电导有源时 高频低电

31、导无源时 导电介质中的无源波动方程 缓变无源场 sstitiJHHiHJiEEiEezyxHtzyxHezyxEtzyxE2022021),(),(),(),(有 ，过程略 时谐条件 此处频域频域E，H是与t无关量，时域时域场波动方程中E，H与t有关 高频低电导有源时， ssJHHJiEE222212.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 ssJHHiHJiEEiE2022021波动方程tJtEtEcnEs00222221sJtHtHcnH0

32、2222200202202HHiHEEiE002222HHEE 高频低电导无源时 导电介质中无源波动方程 不可忽视 缓变无源场 000202HiHEiEssJHHiHJiEEiE2022021高频低电导有源时 高频低电导无源时 导电介质中的无源波动方程 缓变无源场 2.4.1 简单电介质情况下的时域波动方程 2.4.2 简单电介质情况下的频域波动方程2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 ssJHHiHJiEEiE2022021ssJHHiHJiEEiE202202100sJ，波动方程1. 平面波 等相面（波前）是平面 2.

33、 球面波 等相面是球面 3. 柱面波 等相面为圆柱形4. 抛物面波 复杂 2.5.1 光波的电磁表示2.5.2 边界条件及光在简单电介质界面上的反射和折射 zyxikzkirkirkirkieezArEerArEerArEAerE222)()()()(k 波矢，r 传播方向距离 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 边界连续条件 自由电荷面密度 自由电荷线密度 ttttnnnnHHEEBBDD12121212002.5.1 光波的电磁表示2.5.2 边界条件及光在简单电介质界面上的反射和折射 2.1光学基础知识 2.2麦克

34、斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 s, Js 电荷面密度和面I 密度，n 法线方向，t 切线方向， s, Js 为0，Dn, Ht 在界面连续。p 高斯光束高斯光束是波动方程一特解特解，非均匀波，许多方面类似平面波。强度分布不均匀，集中在传播轴附近。p 等相面弯曲。等相面上光场振幅分布是非均匀高斯分布高斯分布。 特点特点（旁轴情况） 非均匀高斯球面波 传播过程曲率中心不断改变 振幅分布在横截面内为高斯分布 强度集中在轴线及附近 等相面保持球面 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光

35、束 2.6.1 高斯光束 2.6.2 高斯光束的性质 tJtEtEcnEs00222221sJtHtHcnH022222振幅分布及光斑半径，束腰半径 高斯光束的等相面 瑞利距离 远场发射角 高斯光束在任一 z 处，横向振幅为高斯分布，光斑半径随 z 坐标变化； 光斑半径：光斑半径：场振幅以高斯高斯函数 形式从中心（传播轴线）向外平滑减小。振幅减小到中心值 1/e 处 r 定义为光斑半径光斑半径。光斑半径随坐标 z 按双曲线规律扩展。 z=0 处 (0)= 0 有最小值， 束腰半径束腰半径。 )(exp22zr1)()(1 )(20220220202zzzzzz2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦

36、方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.6.1 高斯光束 2.5.2 高斯光束的性质 近轴，高斯高斯光束等相面以 R(z) 为半径球面 z=0， R(z)，等相面在束腰处为平面，曲率半径中心在无穷远处 z=，R(z)，等相面在无穷远处为平面，曲率半径中心在束腰处 z=z0， R(z)=2z0，达极小值 zz0， R(z)z，远场处可将高斯高斯光束近似为由 z=0 发出半径为 z 球面波 )(1 )(20zzzzR振幅分布及光斑半径，束腰半径 高斯光束的等相面 瑞利距离 远场发射角 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5

37、光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.6.1 高斯光束 2.5.2 高斯光束的性质 |z|=z0时， ，光斑从 0增大到 ，这个范围是瑞利范围瑞利范围。从最小光斑处算起这个长度 z0 称瑞利长度瑞利长度。 z=z0范围为高斯光束准直距离高斯光束准直距离，这个范围内高斯光束近似为平行。002)(z02200z振幅分布及光斑半径，束腰半径 高斯光束的等相面 瑞利距离 远场发射角 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.6.1 高斯光束 2.5.2 高斯光束的性质 1)()(1 )(20220220202zzzzzz瑞利瑞利

38、范围外，高斯高斯光束迅速发散。 高斯高斯光束远场发散角 （半角）定义为 z 时高斯高斯光束振幅减小到中心最大值1/e 处与 z 轴交角，即 02002122020212200)(1lim)(1 lim)(limzzzzzzz振幅分布及光斑半径，束腰半径 高斯光束的等相面 瑞利距离 远场发射角 2.1光学基础知识 2.2麦克斯韦方程 2.3电解质2.4波动方程 2.5光波的表示与传播特性2.6高斯光束 2.6.1 高斯光束 2.5.2 高斯光束的性质 1)()(1 )(20220220202zzzzzz第二章复习思考题(1) 1. 填空题：(1) 光的基本属性是 ，光粒子性的典型现象有 、 以及

39、 、 等。光波动性的典型体现有 、 、 等。(2) 两束光相干的条件是 、 、 ，最典型的干涉装置有 、 。两束光相长干涉的条件是 。(3) 两列平面简谐波振幅分别为E01、E02，位相差为，则其相干涉光强为 ，两列波干涉相长的条件为 。 (4) 波长的光经过孔径D的小孔在焦距f处的衍射爱里斑半径为 。 2. 在玻璃（ ）上涂一种透明的介质膜以消除红外线（0.75m）的反射。 求该介质膜应有的介电常数及厚度。 如紫外线(0.42m)垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？ 3. 有两个具有共轭复幅值的单色波，具有相同的频率，其幅值分别为U(r)及U*(r) 。比较它们的强

40、度、波前和波前法线。以平面波U(r)=Aexp-Jk(x+y)/ 与球面波U(r)=(A/r)exp-jkr为例。 、24. 光束垂直投射在无限大不透明屏的环状小孔（半径为a和b，ab）上，发生夫琅和费衍射，求光强度dI的角分布。 5. 一束波长为0.5m的光波以45角从空气入射到电极化率为2j0.6的介质面上，求 此光波在介质中的方向（折射角）。 光波在介质中的衰减系数。 6. 输出波长为632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5？ 7. 有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角投射至反射面。设每一反射平面仅反射一小部分光，大部分光仅透射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明当sin=/2d时，合成的反射波强度达到最大值，这一角度称为Bragg角。8. 从麦克斯韦通式(2-28)出发，推导波动方程(2-44)。 第二章复习思考题(2) School of Physics and Microelectronics Science