基础光学第9章光波与介质的相互作用课件.pptx
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- 基础 光学 光波 介质 相互作用 课件
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1、第九章 光波与物质的相互作用9.1 光与物质相互作用的经典理论光与物质相互作用的经典理论 麦克斯韦提出的电磁理论实现了光学和电磁学的统一,很好地解释光在介质中传播的各种重要性质,如光的干涉、衍射等。洛伦兹公式:(/)()ee cFEVH 在此基础上,洛伦兹把当时电磁光学的各种结果加以总结,将电磁理论和物质的分子理论相结合,确立了经典电子论的基础。电子论可以解决麦克斯韦电磁学在和波长相关的色散、折射率以及极化率等方面的矛盾问题。原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成,当光和原子作用时,原子中的电子在光场的电场作用下做受迫运动。原子中的正负电荷构成一个电偶极子电偶极子。电子与原子核之间的作用是准
2、弹性力 ,当质量为 的电子离开平衡位置并受到这个原子内部力作用时(没有阻尼和外加光场),其运动方程为:frm22=d rmfrdt-由此得出00=itrr e考虑到外加电场和内部阻尼的影响,根据牛顿定律,受迫振动的电子运动方程为:22=d rdrmeEfrgdtdt-将入射光场 写为 ,E0=i teEE,并且引入电偶极矩 p()得=epr222200+=i td pdpepE edtdtm-该方程的解可以描述为0=i tepp=C0pE()22201=eCmi其中表示的是单个原子或分子的感生电偶极矩,如果在介质中单位体积内有N个原子或分子,而P代表介质中单位体积内的偶极距的矢量和,即极化强度
3、,则00=NPpE 其中 为介质的极化率,则有()2220001=CNNemi=C0pE根据麦克斯韦的电磁理论,电位移矢量可表示为00=r DEEP=+移项得()0=1rPE对比=1r 在光频下,用n和 分别表示复折射率 的实部和虚部,则有2=rn%n%2222=(+)=+2nninin%-()()()2222022222222220000=1+NeNeimm -+()()2220222222200=1+Nenm-()22222200=2+Nenm-00=NPpE得即对于极化率很小的介质,如空气,则:1r022220222222222200001112 122nniNeNeimm%-+由上式可
4、得2220222220012Nenm -222222002Nem-称为消光系数消光系数,和介质对光的吸收及散射有极大的关系。n 与 是相互关联的,而且都和入射光的频率有关。n与 的关系式使得色散与吸收建立起紧密的联系,这也是电子理论在色散和吸收方面的重要贡献。9.2 光的色散光的色散 光在介质中传播并与介质发生相互作用,其折射率(或光速)随入射光的频率或波长的改变而发生变化的现象,称为色散色散。由于色散的广泛存在,光在介质中传播时的光程以及传播方向都会受到影响,因此在制作和使用通光光学元器件,比如透镜、棱镜、光栅、光纤和波导等时,都必须考虑其色散特性及其影响。色散色散的观测的观测观测色散的最简
5、单方法就是将待测材料做成三棱镜,根据棱镜最小偏向角的原理,可以分别测出在不同波长光入射时通过三棱镜后的最小偏向角,然后算出所该三棱镜的折射率n,就可以作出色散曲线。NababL2P2P1L1S观察色散的牛顿正交棱镜法正常色散正常色散通常使用色散率色散率 来描述介质色散性质,定义为介质折射率 在波长 附近随波长变化的变化率,即vn=dnvd色散率反映了介质对光的折射率随波长变化的快慢,在色散曲线中就是曲线的斜率。材料的折射率 是随波长 的增加而减小的,这种色散称为正常色散正常色散。常用光学材料的正常色散曲线1.61.51.40246810/100 nmn可见光氟化钙重火石玻璃水晶轻火石玻璃冕牌玻
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