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1、物理光学光电信息学院叶玉堂物理光学光电信息学院光的电磁理论描述了光的传播特性。本章基于光的电磁理论，介绍光波的基本特性、光在各向同性介质中的传播特性、光在介质分界面上的反射和折射特性，以及光波的数学描述。第第11章章光的电磁理论光的电磁理论前言物理光学光电信息学院第第11章章光的电磁理论光的电磁理论1.1 电磁波谱电磁场基本方程(The electromagnetic spectrum and the basic equations of the(The electromagnetic spectrum and the basic equations of theelectromagnetic
2、 field) electromagnetic field) 1.2 光波在各向同性介质中的传播(Wave propagation in isotropic mediaWave propagation in isotropic media)1.3 光波的偏振特性(Polarization properties of light )(Polarization properties of light )(Electromagnetic theory of light)(Electromagnetic theory of light)物理光学光电信息学院第第11章章光的电磁理论光的电磁理论1.4 光
3、波在介质界面上的反射和折射(Reflection and refraction of a plane wave)(Reflection and refraction of a plane wave)1.5 光波场的频率谱(Spectrum of light )(Spectrum of light )1.6 球面光波与柱面光波(Spherical waves and cylindrical waves )(Spherical waves and cylindrical waves )(Electromagnetic theory of light)(Electromagnetic theory
4、of light)物理光学光电信息学院1.1.1 电磁波谱电磁波按其频率或波长排列构成波谱，它覆盖了从射线到无线电波的一个相当广阔的频率范围。1.1 电磁波谱电磁场基本方程(The electromagnetic spectrum and the basic equations of the(The electromagnetic spectrum and the basic equations of theelectromagnetic field)electromagnetic field)物理光学光电信息学院光是特定波段的电磁波真空中的波长范围约为390760 nm(注意相对性)，相应的
5、频率范围约为84Hz。不同波段的电磁波的产生机制、特征和应用范围各不相同。光源中的原子或分子从高能级向低能级跃迁时发出光波，在各种加速器中被加速的电子也能辐射光波。141014101.1.1 电磁波谱物理光学光电信息学院虽然光波在整个电磁波谱中仅占有很窄的波段，它却对人类的生存、人类生活的进程和发展，有着巨大的作用和影响，还由于光在发射、传播和接收方面具有独特的性质，以致很久以来光学作为物理学的一个主要分支一直持续地发展着，尤其是激光问世后，光学领域获得了突飞猛进地发展。1.1.1 电磁波谱物理光学光电信息学院式中，E、D、B、H分别表示电场强度、电感应强度(电位移矢量)、磁感应强度、磁场强度
6、，是电荷体密度，J是电流密度。 D=uv高斯定理，静止电荷产生的是无旋场1. Maxwells equations0 B=ur磁场为无源场 BEt=uvuv变化磁场产生电场 DHJt=+uvuuv变化的电场产生磁场1.1.2 电磁场基本方程物理光学光电信息学院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，时变电场和时变磁场构成了不可分割的统一整体电磁场。适用条件：微分形式的方程组只在介质中物理性质连续的区域成立，在不连续的界面，应该用积分形式的方程组。1.1.2 电磁场基本方程物理光学光电信息学院积分形式:0SVSCSCSddVdddtd+dt=D
7、SBSBElSDHlJS1.1.2 电磁场基本方程物理光学光电信息学院2. Material equation媒质特性对电磁场量影响 const. const.1 (,) ( , () xyzxyzDEBHIVJEVIRSL=uvuvuvuuvuvuv一般均匀各向同性1.1.2 电磁场基本方程物理光学光电信息学院 DEBHJE=uvuvuvuuvuvuv1.1.2 电磁场基本方程式中，0r 为介电常数，描述媒质的电学性质，0 是真空中介电常数（8.854210-12Fm-1），r是相对介电常数; 0r 为介质磁导率，描述媒质的磁学性质，0是真空中磁导率（410-7Hm-1），r是相对磁导率；为
8、电导率，描述媒质的导电特性, 真空中0。物理光学光电信息学院由积分形式的麦克斯韦方程组可导出时变电磁场在两媒质分界面上边界条件3. 边界条件:()()()()12121212s00s=nDDnBBnEEnHHJ式中，n 为在分界面上由第二媒质指向第一媒质的单位法向矢量，s为分界面上面电荷密度，Js为分界面上面电流密度。1.1.2 电磁场基本方程物理光学光电信息学院在光学中，常见的是界面Js0，s0。其边界条件为()()()()121212120000=nDDnBBnEEnHHH 和E 的切向分量以及B 和D 的法向分量连续1.1.2 电磁场基本方程物理光学光电信息学院人物传记麦克斯韦麦克斯韦(
9、James Clerk Maxwel18311879) 英国物理学家。1873年，麦克斯韦完成巨著电磁学通论，具有划时代的意义。麦克斯韦在分子动理论方面的功绩也是不可磨灭的，他运用数学统计的方法导出了分子运动的麦克斯韦速度分布律。麦克斯韦还研究过土星的光环和视觉理论，创立了定量色度学。1879年11月5日，麦克斯韦因癌症不治去世，终年49岁。他的理论为近代科学技术开辟了崭新的道路，可是他的功绩生前却未得到重视。直到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在后，人们才意识到他是自牛顿以来最伟大的理论物理学家。物理光学光电信息学院SEH=uvuvuuv()()()abccabbac=vvvvvvvvv4
10、. 能流密度：Poynting矢量证明:()()()()meBDHEjttBDjEHEttjEtt=+=+=+uvuvuuvuuvvuvuvvuvuuvuvvuv()()()1.1.2 电磁场基本方程EHHEEH=uvuuvuuvuvuvuuv物理光学光电信息学院()()()()VmeEHdvjEdvdvt=+uvuuvvuv()()()()sVEHdsjEdvt=uvuuvvuvt总电磁能随时间的变化率，1.1.2 电磁场基本方程()mejEtt+vuv()EH=uvuuv物理光学光电信息学院坡印廷矢量S，S的大小表示在任一点处垂直于传播方向上的单位面积上、在单位时间内流过的能量。S的方向就
11、是该点处电磁波能量流动的方向。()()()()sVEHdsjEdvt=+uvuuvvuvt总电磁能随时间的变化率， ) (VIVjEJouleshevatdvuv焦耳热 SEH=uvuvuuv1.1.2 电磁场基本方程物理光学光电信息学院由于光的频率太高,在实用中都是用能流密度的时间平均值表征光波的能量传播，称该时间平均值为光强，以I表示。设光探测器的响应时间为，则22000001112ISSdtEHdtEE=5. 光强S 的平均值有些场合只要考虑光强相对值,忽略系数220 IEE1.1.2 电磁场基本方程物理光学光电信息学院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。1.2.1 波动方程物理光学光电信息学院各向同性、均匀介质0D=uv0B=uvBEt=uvuvDHt=uvuuv1.2.1 波动方程物理光学光电信息学院()(
