1、精密仪器与机械学系2013-4-22 1孙利群 教授办公室： 3104# 光学工程基础物理光学精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 2物理光学与几何光学的关系20几何光学：不涉及光的物理本性将光视为传输能量的几何线（光线）物理光学在波长趋于 时的一种近似光学光的干涉波动光学 光的衍射物理光学： 研究光的本质光的偏振量子光学精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 3绪论：物理光学的研究对象3量子光学电磁光学波动光学几何光学光（物质）的基本属性光的传播规律光与其它物质之间的相互作用精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 4物理光学（波动光学）研究内容4光在 各向同性 媒质
2、中的传播规律（折射、反射、吸收、色散、散射）；传播过程中 光波叠加 （干涉）时、光波受阻 （衍射）时的现象、规律；在 各向异性 媒质中的传播规律（偏振、双折射）现象&规律精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 5物理光学的应用5精密仪器与机械学系2013-4-22 6物理光学的应用6精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 7课程的性质及学习方法性质： 技术基础课课程侧重： 基本物理现象、物理概念、物理规律、物理理论及应用的阐述；为学习后继专业课程及进一步深造打基础学习方法： 以基本现象、理论、规律、应用为主线，注重对物理概念的理解7要求与安排：课内外学时比例 1 : 1.5独立
3、、按时、按量完成作业精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 8参考书精密仪器系1. 钟锡华，现代光学基础，北京：北京大学出版社， 20032. 梁铨廷，物理光学（第 3版），北京：电子工业出版社， 20113. E. Hecht, Optics (4th ed.) , New York: Addison-Wesley, 20024. Max Born, Emil wolf, Principle of Optics, 6th ed.波恩 , 沃耳夫著，光学原理 (上 /下 )，杨葭荪等译，北京：科学出版社， 2005 (第 7版 )精密仪器与机械学系2013-4-22 99光的电磁理论是
4、经典光学、现代光学的基础精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 10本章重点：光的电磁性质光在均匀媒质中传播的基本规律光在介质表面的反射和折射光波的叠加10预备知识:1、普通物理：电磁学2、工程数学：矢量运算、场论基础精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 1111精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 12121、 Maxwell 方程组2、物质方程3、电磁场的波动性一、电磁场的波动性精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 131、 Maxwell 方程组 ：130DBBEtDHjt = = = = +urururururuurrDEBHj：电感强度：电场强度
5、：磁感强度：磁场强度：电荷密度： 传导电流密度精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 14Maxwell 方程组的意义揭示了：电场、磁场的性质电流、电场、磁场之间相互激励的关系14000xyzxyz+vvvt精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 152、物质方程 (在电磁场作用下物质特性的关系式 )15DEBHjE=urururuurr ur:介电常数磁导率电导率001 = rrr非铁磁介质 12 2 20722008.8542 10 /410 /CNmNS C 真空中 精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 16物质方程给出了媒质的电学和磁学性质是光与物质相互作用时
6、媒质中大量分子平均作用的结果。16精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 173、电磁场的波动性由 Maxwell方程得出结论：（ 1）任何随时间变化的磁场周围空间都会产生变化的电场，具有涡旋场的性质。（ 2）任何随时间变化的电场（位移电流）都会在周围空间产生变化的磁场，是涡旋场。17精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 18结论：变化的电场与变化的磁场紧密相连，互相激发，交替产生，在空间形成统一的场电磁场18变化的电磁场在空间可以一定的速度向周围空间传播出去，电磁场由近及远地传播，形成电磁波精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 19电磁场的波动方程无限大各向同性均
7、匀介质中， 、 为常数，不存在自由电荷和传导电流，（远离辐射源的区域，或变化的电磁场脱离产生它的源的区域）19 0 =00j，00BEEtEBBt = = = =vvvvvv精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 202000EBBEtEBt = = = =vvvvvv() ()()()()2220EEBttEEEE = = =vvvvvvv波动微分方程22222200EEtBBt = =vvvv精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 2121拉普拉斯算符: 2222222xyz= + +222 2222 2222 2222 200EEE Exyz tHHH Hxyz t +
8、= + + = ururur uruuruuruuruur波动微分方程一维情况： 220, 0EExy= =urur22220EEzt =urur精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 22类比简谐机械波：满足的波动方程：22cos ( )zSA tv = urur2222210SSzvt = urur真空中传播速度：实测值：8002.99791/ 4 10 /cms=8252.9 197 0/9cm=1/v =21/v =EB、精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 2323电磁场与静电场、静磁场的不同精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 2424介质的折射率：00
9、rrcnv = =非铁磁介质： 1r rn =精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 2525电电磁磁波波谱谱可见光波长范围 400 760 nm可见光光谱可见光光谱精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 26261、平面波解2、单色平面波解3、单色平面波波函数的表达式4、单色平面波的性质二、平面电磁波及其性质精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 2727、EB精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 28()()zzff t tvv +、是以 、 12 为变量的任意矢量函数波函数1、平面波解设平面波沿 z方向传播，则波动方程为：28BBzvt =urur222
10、2210EEzvt =ur ur2222210,z zttvv =+() () () ()zz zzE ftftHftftvv vv + +12 12令 ，则方程的解为精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 29以 ( ) 和 ( ) 为变量的波函数具有传播的特性29ztvztv+t1t2时刻场点的振动是源点在t1时刻的振动源点v()zttv= +21场点取正向传播：11() ()zzEf t Hf tvv= =uruur行波表示 : 源点的振动经过一定的时间推迟才传播到场点，电磁场是逐点传播的。精密仪器系精密仪器与机械学系2013-4-22 302、单色平面波解波动方程具有线性性质（只要每个谐波分量满足）平面波解 波函数 可以作傅立叶谐波分解30()zftvr谐波函数矢量形式：cos ( )zEtvA =+ rrcos ( )zHtvA =+ r r ： 相位是时间和空间坐标的函数表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态()ztv +精密仪器系
