高等物理光學課程編號:30008學時：56開課時間：1-14周課程性質(zhì)：學位開課專業(yè)：光學工程

考核方式：筆試授課教師：耿濤1高等物理光學電磁理論、電磁場的波動性光的干涉光的衍射

傅立葉光學晶體光學電光、磁光和聲光效應(yīng)導波光學統(tǒng)計光學基礎(chǔ)（主要以自學為主）2主要教材與參考書主要教材：《高等物理光學》羊國光編著。中國科技大學出版社，1991主要教參：《物理光學教程》謝敬輝編著。北京理工大學出版社，2005《光學信息技術(shù)原理及應(yīng)用》陳家璧編著。高等教育出版社，2002《高等光學》趙建林編著。國防工業(yè)出版社，2002《光學原理》M.波恩和E.沃耳夫編著1959年

320世紀

是微電子的世紀21世紀

將是光子的世紀

4光學是一門重要的學科1光是什么？

光是一種頻率極高的電磁波，具有波粒二象性。光在傳播過程中，表現(xiàn)出波動性；光在與物質(zhì)相互作用過程中表現(xiàn)出光的粒子性（量子性）。2光學的分類光學通常分為幾何光學、波動光學和量子光學三部分。我們首先研究光的波動性。波動光學是當代激光光學、信息光學、非線性光學和很多應(yīng)用光學的重要基礎(chǔ)。波動最重要的特征是具有干涉、衍射和偏振現(xiàn)象。53光學樹的樹干之間的聯(lián)系四個物理常量：h、c、λ、x普朗克常量

h聯(lián)系光的波動性和量子性光速

c聯(lián)系麥克斯韋方程組，以說明光的電磁波性。用光波長λ

是否趨于零以區(qū)分幾何光學和波動光學

用電極化率

x

是標量還是張量以區(qū)分光在各向同性介質(zhì)和各向異性介質(zhì)中的傳播。

用電極化率

x

對光場的響應(yīng)是線性還是非線性以區(qū)分線性光學和非線性光學。64經(jīng)典光學的主干——麥克斯韋方程組大多數(shù)與光的傳播有關(guān)的現(xiàn)象都可以從這一理論出發(fā)得到解釋。光作為電磁波，光的干涉、衍射、光的調(diào)制、偏振光的干涉等空域和頻域的線性疊加，均出自麥克斯韋方程組的線性性質(zhì)。7物理光學研究的對象和內(nèi)容

物理光學研究的對象是光這種物質(zhì)的基本屬性，它的傳播規(guī)律和它與其他物質(zhì)之間的相互作用。物理光學可分為波動光學和量子光學兩部分。前者研究光的波動性，后者研究光的量子性。

物理光學（波動光學）討論的內(nèi)容是相當廣泛的，傳統(tǒng)的內(nèi)容有：光的干涉，衍射和偏振現(xiàn)象，光在各向同性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，光在各向異性介質(zhì)中的傳播規(guī)律等。本世紀60年代以來，由于激光的出現(xiàn)，古老的光學又重新煥發(fā)了青春，物理光學的各個領(lǐng)域都有了突飛猛進的發(fā)展，一批新的分支學科相繼建立起來。如：光學薄膜技術(shù)的發(fā)展形成了薄膜光學，集成光學等新學科，把數(shù)學，通信理論與光的衍射結(jié)和起來，建立起傅立葉光學，以及傅立葉光學的一些應(yīng)用課題，如：光學信息處理，光學傳遞函數(shù)，全息術(shù)，隨著大規(guī)模IC制造技術(shù)及計算技術(shù)的發(fā)展，形成了衍射光學，二元光學等。8物理光學討論的內(nèi)容光信息的基礎(chǔ)非線性光學薄膜光學纖維光學集成光學激光光譜學晶體光學光子學傅里葉光學光學信息處理全息學量子光學9物理光學的應(yīng)用光信息技術(shù)：描述光波的各個參量，即振幅，光強，位相，偏振態(tài)，頻率，波長等都會在傳播過程中及與物質(zhì)的相互作用的過程中產(chǎn)生變化，而這種變化恰恰反映了物質(zhì)中很多重要信息。可作為

“光傳感器器”進行各種檢測。

如：各種光

電子儀器，各種干涉儀，光譜儀，測距儀（光學引信）等。光波作為信息載體具有特殊的優(yōu)點，可進行振幅（光強）

，偏振態(tài)，位相的時間調(diào)制，也可進行空間調(diào)制（二維并行）。光學信息

處

理；成象；光存儲；全息術(shù)；光計算；機器人視覺等。光作為信息載體光通信，傳輸信息量大而噪聲低抗干擾。10麥克斯韋方程組有源場

渦旋場無源場渦旋場

11物質(zhì)方程為介質(zhì)中的介電常數(shù)，

為磁導率，為電導率為真空中的介電常數(shù)，為相對介電常數(shù)為真空中的磁導率，為相對磁導率,

對于非鐵磁介質(zhì)

或者

12電磁場的波動性麥克斯韋方程得出的結(jié)論：（1）任何隨時間變化的磁場周圍空間都會產(chǎn)生變化的電場，這種電場具有渦旋的性質(zhì)（2）任何隨時間變化的電場（位移電流）都會在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場，磁場也是渦旋場。由此可見：變化的電場與變化的磁場緊密相連，其中一個起變化，隨即出現(xiàn)另一個，相互激勵形成統(tǒng)一的電磁場。變化的電磁場可以以一定的速度向周圍空間傳播出去。設(shè)在空間某一區(qū)域內(nèi)電場有變化，那么就在臨近的區(qū)域內(nèi)引起變化的磁場，這種變化的磁場又在較遠的區(qū)域引起變化的電場，這樣電場與磁場交替產(chǎn)生，便使之傳播到更遠的區(qū)域；這種電磁場在空間以一定的速度由近及遠的傳播就是電磁波。

13電磁波的傳播由麥克斯韋理論可得：14同理：當電場振動沿軸正向傳播時，有反映該振動的平面簡諧波用麥氏電磁場方程組可推出

在真空中：

在介質(zhì)中：折射率(refractiveindex)2電磁波的性質(zhì)15(1)電磁波是橫波

振動量與波速構(gòu)成相互垂直的右手螺旋關(guān)系。(2)電磁波的偏振性分別在各自的平面上振動。(3)電場與磁場同相變化

振幅之間滿足(4)電磁波的能量

16?電磁波的強度?電磁波譜電磁波具有各種頻率：無線電，微波，紅外線，可見光，紫外線，X射線和γ射線等。?可見光(visiblelight)——能夠引起人的視覺的電磁波。17400nm紫760nm紅紅光7700~6200?3.9×1014~4.8×1014Hz

橙光6200~5900?4.8×1014~5.1×1014Hz

黃光5900~5600?5.1×1014~5.4×1014Hz

綠光5600~5000?5.4×1014~6.0×1014Hz

青光5000~4800?6.0×1014~6.3×1014Hz

藍光4800~4500?6.3×1014~6.7×1014Hz

紫光4500~3900?6.7×1014~7.7×1014Hz

可見光的范圍18電磁波的波動方程(1)(2)(3)(4)將式（2）兩端對時間求導，并交換左端的求導次序，可得：19電磁波的波動方程式中20電磁波的波動方程21電磁波的波動方程幾點解釋：μ為磁導率，在真空中磁導率μ0=1。在介質(zhì)中要乘以相對磁導率。ε為頻率的函數(shù)，折射率隨光波頻率而改變，導致色散。介電常數(shù)ε在各項同性介質(zhì)中是標量，在各向異性中為張量，這時ε用9個分量來描述。物質(zhì)方程中D和E、B和E以及J和E均為線性關(guān)系，但是在場強很強時，D和E之間不在呈現(xiàn)線性關(guān)系，這導致非線性光學效應(yīng)。盡管可由三個分量表示，但是其中每一個分量的解并不能表示矢量場E．只有將三個分量都解出來，才能由它們構(gòu)成E。假設(shè)在所討論的問題中．E只含有一個分量(如線偏扳光勸情況)，電場E和磁場B振動方向不隨時間和空間坐標而變化。那么，矢量場的問題可以完全化成標量波處理了。22電磁波的標量波動方程分析電磁波的標量波動方程是線性的，也就是說滿足該方程的基本解的線性組合都是方程的解，可以證明球面波和平面波都是波動方程的解。任何復雜的波都可以用球面波來的線性組合來表示，也都是方程的解。23電磁波的標量波動方程類比簡諧機械波：滿足的波動方程為：24電磁波的波動方程表示成復數(shù)形式：其中25亥姆霍茲方程式中k稱為波數(shù)，表示長度上產(chǎn)生的相位變化，定義為：26平面波的矢量表示推廣27平面波的復振幅表示設(shè)波矢量k表示光波的傳播方向，其大小為：方向余弦為：在任意時刻，與波矢量相垂直的平面上振幅和位相為常數(shù)的光波稱為平面波。若空間某點P(x,y,z)的位置矢量r，則平面波傳播到P點的位相為k·

r,該點的復振幅一般表達式為：28平面波的復振幅表示由于故29平面波的空間頻率αOx0kzλCxADXB等相位線30平面波的空間頻率31平面波的空間頻率32平面波的空間頻率33空間頻率

“高頻信號”——沿

,

角較小的方向傳播的分量

“低頻信號”——沿

,

角較大的方向傳播的分量

“零頻信號”——沿z軸方向傳播的分量

=

=900分析34球面波的復振幅表示35球面波的復振幅表示36球面波的復振幅表示37球面波的復振幅表示38球面波的復振幅表示39例題設(shè)一平面電磁波沿正x方向傳播，試證明電矢量和磁矢量的振動方向均垂直于波的傳播方向。

[證]沿x方向傳播的平面波可以寫成為

和由麥克斯韋方程組可知：在遠離輻射源的區(qū)域，電荷密度ρ=0的情況下有

40因此

式中x0,y0,z0,為x,y,z坐標軸的單位矢量。由上式可見，E在x方向的分量為