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1、第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性,1.1 光波的特性 1.2 光波在介质界面上的反射和折射 1.3 光波在金属表面上的反射和折射 例题,1.1 光波的特性,1.1.1 光电磁波 麦克斯韦电磁方程 1. 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,如图1-1所示。由于光的频率极高(10121016 Hz),数值很大,使用起来很不方便, 因而采用波长表征,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
2、外线又细分如下:,图 1-1 电磁波谱,式中,D、E、B、H分别表示电感应强度(电位移矢量)、 电场强度、 磁感应强度、磁场强度;是自由电荷体密度; J是传导电流密度。这种微分形式的方程组将任意时刻、空间任一点的电、 磁场的时空关系与同一时空点的场源联系在一起。,3. 物质方程 光波在各种介质中的传播过程实际上就是光与介质相互作用的过程。 因此,在运用麦克斯韦方程组处理光的传播特性时,必须要考虑介质的属性,以及介质对电磁场量的影响。描述介质特性对电磁场量影响的方程, 即是物质方程:,D=E(1.1-5) B=H(1.1-6) J=E(1.1-7),式中,=0r,为介电常数,描述介质的电学性质,
3、0是真空中介电常数,r是相对介电常数;=0r,为介质磁导率,描述介质的磁学性质,0是真空中磁导率,r是相对磁导率;为电导率,描述介质的导电特性。,应当指出的是,在一般情况下,介质的光学特性具有不均匀性,、和应是空间位置的坐标函数,即应当表示成(x, y, z)、(x, y, z)和(x, y, z); 若介质的光学特性是各向异性的,则、和应当是张量,因而物质方程应为如下形式:,即D与E、B与H、J与E一般不再同向;当光强度很强时,光与介质的相互作用过程会表现出非线性光学特性,因而描述介质光学特性的量不再是常数,而应是与光场强有关系的量, 例如介电常数应为(E),电导率应为(E)。对于均匀的各向
4、同性介质,、和是与空间位置和方向无关的常数;在线性光学范畴内,、与光场强无关;透明、无耗介质中, =0;非铁磁性材料的r可视为1。,4. 波动方程 麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律,指出任何随时间变化的电场,将在周围空间产生变化的磁场;任何随时间变化的磁场, 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,交变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播的电磁波,应当满足描述电磁波动方程。 ,下面,我们从麦克斯韦方程组出发,推导出电磁波动方程,并且限定所讨论的区域远离辐射源,不存在自由电荷和传导电流,介质为各向同性的均匀介质。此时,麦克斯
5、韦方程组可简化为,对(1.1-10)式两边取旋度, 并将(1.1-11)式代入, 可得,利用矢量微分恒等式,并考虑到(1.1-8)式, 可得,同理可得,(1.1-12a),(1.1-12b),若令,可将以上两式变化为,(1.1-14),(1.1-13),这个方程组即为交变电磁场所满足的波动方程,它说明了交变电磁场是以速度v在介质中传播的电磁波动,并由此可以得到电磁波在真空中的传播速度为,根据我国的国家标准 GB3102.6-82, 真空中的光速为,c=(2.997 934 580.000 000 012)108 m/s,为描述光在介质中传播的快慢, 引入表征介质光学性质的一个很重要的参量折射率
6、n:,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。,(1.1-15),(1.1-16),5. 光电磁场的能流密度 电磁理论指出,电磁场是一种特殊形式的物质,既然是物质,就必然有能量。而光电磁场是一种电磁波,它所具有的能量将以速度v向外传播。为了描述电磁能量的传播,引入能流密度玻印亭(Poynting)矢量S,它定义为 S=EH(1.1-17) 表示单位时间内, 通过垂直于传播方向上的单位面积的能量。,对于一种沿z方向传播的平面光波,光场表示为: E=exE0cos(t
7、-kz) H=hyH0cos(t-kz) 式中的ex、hy是电场、磁场振动方向上的单位矢量,其光波的能流密度S为 S=szE0H0cos2(t-kz) 式中,sz是能流密度方向上的单位矢量。因为由(1.1-10)式关系,平面光波场有 ,所以S可写为,(1.1-18),该式表明,这个平面光波的能量沿z方向以波动形式传播。 由于光的频率很高,例如可见光为1014量级,因而S的大小随时间的变化很快。而相比较而言,目前光探测器的响应时间都较慢,例如响应最快的光电二极管仅为10-810-9 s,远远跟不上光能量的瞬时变化,只能给出S的平均值。所以,在实际应用中都利用能流密度的时间平均值S表征光电磁场的能
8、量传播,并称S为光强,以I表示。假设光探测器的响应时间为T,则,相应的光电场强度振幅为,这样强的电场,能够产生极高的温度,足以将目标烧毁。 应当指出,在有些应用场合,由于只考虑某一种介质中的光强,只关心光强的相对值,因而往往省略比例系数,把光强写成 I=E2=E20 如果考虑的是不同介质中的光强, 比例系数不能省略。,1.1.2 几种特殊形式的光波 上节得到的交变电场E和交变磁场H所满足的波动方程 (1.1-14),可以表示为如下的一般形式:,(1.1-20),这是一个二阶偏微分方程,根据光场解的形式的不同,光波可分类为平面光波, 球面光波,柱面光波或高斯光束。,1. 平面光波 首先说明,光波
9、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。,1) 波动方程的平面光波解 在直角坐标系中, 拉普拉斯算符的表示式为,为简单起见,假设 f 不含x、y变量,则波动方程为,为了求解波动方程, 先将其改写为,(1.1-21),令,可以证明,因而,上面的方程变为,求解该方程,f 可
10、表示为,(1.1-22),对于式中的f1(z-vt), 凡(z-vt)为常数的点都处于相同的振动状态。如图1-2(a)所示,t=0时的波形为,t=t1时的波形相对于波形平移了vt1,。由此可见,f1(z-vt)表示的是沿z方向以速度v传播的波。类似分析可知,f2(z+vt)表示的是沿-z方向以速度v传播的波。将某一时刻振动相位相同的点连结起来,所组成的曲面叫波阵面。由于此时的波阵面是垂直于传播方向z的平面(图1-2(b),因而 f1和 f2是平面光波,(1.1-22)式是平面光波情况下波动方程(1.1-21)的一般解。在通常情况下,沿任一方向k、以速度v传播的平面波的波阵面,如图1 - 2(c
11、)所示。,图 1-2 平面波图示,2) 单色平面光波 (1) 单色平面光波的三角函数表示 (1.1-22)式是波动方程在平面光波情况下的一般解形式,根据具体条件的不同,可以采取不同的具体函数表示。 最简单、 最普遍采用的是三角函数形式,即 f=Acos(t-kz)+Bsin(t+kz) 若只计沿+z方向传播的平面光波,其电场表示式为,(1.1-23),(2) 单色平面光波的复数表示 为便于运算,经常把平面简谐光波的波函数写成复数形式。例如,可以将沿z方向传播的平面光波写成,采用这种形式,就可以用简单的指数运算代替比较繁杂的三角函数运算。例如,在光学应用中,经常因为要确定光强而求振幅的平方E20
12、,对此,只需将复数形式的场乘以它的共轭复数即可:,(1.1-24),应强调的是,任意描述真实存在的物理量的参量都应当是实数,在这里采用复数形式只是数学上运算方便的需要。 由于对(1.1-24)式取实部即为(1.1-23)式所示的函数,所以,对复数形式的量进行线性运算,只有取实部后才有物理意义,才能与利用三角函数形式进行同样运算得到相同的结果。此外, 由于对复数函数exp-i(t-kz)与expi(t-kz)两种形式取实部得到相同的函数,因而对于平面简谐光波,采用exp-i(t-kz)和expi(t-kz)两种形式完全等效。因此, 在不同的文献书籍中,根据作者的习惯不同,可以采取其中任意一种形式
13、。,对于平面简谐光波的复数表示式, 可以将时间相位因子与空间相位因子分开来写:,(1.1-25),式中,,(1.1-26),称为复振幅。 若考虑场强的初相位, 则复振幅可表示为,(1.1-27),复振幅反映了场振动的振幅和相位随空间的变化。在许多应用中,由于因子exp(-it)在空间各处都相同,因此只考察场振动的空间分布时,可将其略去不计,仅讨论复振幅的变化。,进一步,若平面简谐光波沿着任一波矢k方向传播,则其三角函数形式和复数形式表示式分别为,(1.1-28),和,(1.1-29),相应的复振幅为,(1.1-30),在信息光学中,经常遇到相位共轭光波的概念。所谓相位共轭光波是指两列同频率的光
14、波,它们的复振幅之间是复数共轭的关系。,假设有一个平面光波的波矢量k平行于xOz平面(图1-3),在z=0平面上的复振幅为,(1.1-31),式中的为k与z轴的夹角,则相应的相位共轭光波复振幅为,该式表明,此相位共轭光波是与 波来自同一侧的平面光波, 其波矢量平行于xOz平面、与z轴夹角为-。如果对照(1.1-32)式,把(1.1-30)式的复数共轭写成,(1.1-33),(1.1-32),图 1-3 平面波及其相位共轭波,2. 球面光波 一个各向同性的点光源,它向外发射的光波是球面光波, 等相位面是以点光源为中心、随着距离的增大而逐渐扩展的同心球面, 如图1-4所示。 球面光波所满足的波动方
15、程仍然是(1.1-20)式,只是由于球面光波的球对称性,其波动方程仅与r有关,与坐标、无关,因而球面光波的振幅只随距离r变化。若忽略场的矢量性,采用标量场理论,可将波动方程表示为,式中,f = f (r, t)。,(1.1-34),图 1-4 球面光波示意图,对于球面光波,利用球坐标讨论比较方便。此时,(1.1-34)式可表示为,即,一般解为,(1.1-35),(1.1-36),其中,f1(r-vt)代表从原点沿r正方向向外发散的球面光波;f2 (r+vt)代表向原点(点光源)传播的会聚球面光波。球面波的振幅随r成反比例变化。,最简单的简谐球面光波单色球面光波的波函数为,(1.1-37),其复
16、数形式为,(1.1-38),复振幅为,(1.1-39),上面三式中的A1为离开点光源单位距离处的振幅值。,3. 柱面光波 一个各向同性的无限长线光源,向外发射的波是柱面光波, 其等相位面是以线光源为中心轴、随着距离的增大而逐渐扩展的同轴圆柱面, 如图1-5所示。 柱面光波所满足的波动方程可以采用以z轴为对称轴、不含z的圆柱坐标系形式描述:,(1.1-40),式中, 。,图 1-5 柱面光波示意图,可以证明,当r较大(远大于波长)时, 其单色柱面光波场解的表示式为,(1.1-41),复振幅为,(1.1-42),可以看出,柱面光波的振幅与成反比。式中的A1是离开线光源单位距离处光波的振幅值。,4. 高斯(Gauss)光束 由激光器产生的激光束既不是上面讨论的均匀平面光波, 也不是均匀球面光波,而是一种振幅和等相位面都在变化的高斯球面光波,亦称为高斯光束。在由激光器产生的各种模式的激光中,最基本、应用最多的是基模(TEM00)高斯光束,因此, 在这里仅讨论基模高斯光束。 有关这种高斯光束的产生、传输特性的详情, 可参阅激光原理教科书。 从波动方