第2章光学和电磁场基础知识
光电技术与应用课程
第二章 光学和电磁场基础知识
Chap. II FUNDAMENTAL KNOWLEDGE OF OPTIC & ELECTROMAGNETISM
信息与通信学院 陈 明
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
2.1 光的基本属性
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A)几何光学——《墨经》
Incident
i r
光沿直线传播 反射定律
Reflected
i r
Snell’ Law
Refracted
n1 sin i n2 sin r
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
Total Internal Reflection 光电技术与应用课程
Incident
t 90
o
i
r
Reflected
n1 sin i n2 sin t
i arcsin(n2 / n1 )
露珠 —— 虹霓
第2章 光学和电磁场基础知识
t
Refracted
n n 2
信息与通信学院
陈
明
光电技术与应用课程
彩虹是因为阳光射到空中接近圆型的小水滴,造 成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不 同角度入射,在水滴内亦以不同的角度反射。当 中以40至42度的反射最为强烈,造成我们所见 到的彩虹。造成这种反射时,阳光进入水滴,先 折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水 滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用,不 同波长的光的折射率有所不同,蓝光的折射角度 比红光大。由于光在水滴内被反射,所以观察者 看见的光谱是倒过来,红光在最上方,其他颜色 在下。 双重彩虹,上方为霓,下方为虹很多时候 会见到两条彩虹同时出现,在平常的彩虹 外边出现同心,但较暗的副虹(又称霓)。 副虹是阳光在水滴中经两次反射而成。两 次反射最强烈的反射角出现在50°至 53°,所以副虹位置在主虹之外。因为有 两次的反射,副虹的颜色次序跟主虹反 转,外侧为蓝色,内侧为红色。副虹其实 一定跟随主虹存在,只是因为它的光线强 度较低,所以有时不被肉眼察觉而已。
第2章 光学和电磁场基础知识
信息与通信学院
陈
明
霓 -- 副虹
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陈
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2.1 光的基本属性
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B)牛顿(Newton)的微粒说
微粒说认为:
光是由发光物体发出的微粒组成, 这些微粒和普通的实物小球一样遵从相 同的力学规律。 微粒说能够对反射和折射进行解 释,依据其解释,光从空气折射进入水 中,光速增加。
由于Newton在科学界的崇高威望, 微粒思想一直占据统治地位!!!
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2.1 光的基本属性
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C)惠更斯(Huygens)的波动说 波动说认为:
光和声波一样,是一种波动,是 由机械振动的传播而引起的一种波动。 波动说能够对反射和折射进行解 释
,依据其解释,光从空气折射进入水 中,光速减小。
Huygens
19世纪, T.Young (杨) 和 A.J.Fresnel(菲涅尔)等人 发现光有干涉、衍射和偏振等现象。表明光是一种波动。 1850年J.B.L.Foucault(傅科)实验测定了水中的光速,为 波动学说提供了实验证据。
挑战权威
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光的波动性:光波
光电技术与应用课程
19世纪60年代:
J.C.Maxwell(麦克斯韦)建立了电磁 理论,并理论上得到光是一定频率(波长) 范围内的电磁波。
J.C.Maxwell
1887年:
H.Hertz(赫兹)使用电磁振荡的方法 证明了电磁波的存在,也验证了Maxwell理 论的正确性。
H.Hertz 第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
光的波动性:光波
光电技术与应用课程
第2章 光学和电磁场基础知识
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明
光的波动性:光波
10-9 10-6 10-3 nm 1 m
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103 mm 106 m 109
第二部分 光波的特性
波长 / m
宇宙射线
X 射线 射线
紫 外 线 可 见 光
红 外 线
微波
无线电波
极 远 10
远
近
紫
蓝
绿
黄
橙
红
近
中
远
极 远
波长 / nm
106
200
300 390
455 492
577
597
622
760
5x103 6x103 4x104
电磁波谱图
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光电技术与应用课程 常用传输媒介(I)
频率范围
3Hz-30KHz
波长
符号 传输媒介
用途
108-104m 甚低频 VLF
有线线对 音频、电话、数据终端、 长波无线电 长距离导航、时标 有线线对 导航、信标、电力线通信 长波无线电 同轴电缆 短波无线电 调幅广播、移动陆地通信、 业余无线电
30KHz-300KHz 104-103m 低频 LF 300KHz-3MHz 3MHz-30MHz 103-102m 中频 MF 102-10 m 高频 HF
同轴电缆 移动无线电话、短波广播、 短波无线电 定点军用通信、业余无线电
30MHz-300MHz 10 -1
同轴电缆 电视、调频广播、空中管制、 m 甚高频 VHF 米波无线电 车辆、通信、导航
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第2章 光学和电磁场基础知识
光电技术与应用课程 常用传输媒介(II)
频率范围
300MHz-3GHz 3GHz-30GHz
波长
符号
传输媒介
波导 分米波无线电 波导 厘米波无线电 波导 毫米波无线电 光纤 激光空间传播
用途
微波接力、卫星和 空间通信、雷达 微波接力、卫星和 空间通信、雷达 雷达、微波接力、 射电天文学
100-10cm 特高频 UHF 10-1cm 超高频 SHF 极高频 EHF
30GHz-300GHz 10-1mm
紫外 103GHz-107GHz 可见光 -8cm 3*10 红外 3*10-4第2章 光学和电磁场基础知识
光通信
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Maxwell’ Equations
光电技术与应用课程
根据光的电磁理论,光波具有电磁波的所有性质,这些 性质都可以从电磁波的基本方程-麦克斯韦方程
组推导出来。 麦克斯韦方程组的微分形式: •D= •B=0 x E = - ( B/ t) x H = J + ( D/ t) 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; 是自由电荷密度、 J 是 传导电流密度。这种微分形式的方程组将空间任一点的电、磁 场联系在一起,可以确定空间任一点的电、磁场。
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Maxwell’ Equations
物质方程
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第二部分 光波的特性
D=E B=H J=E
式中: = 0 r 为介电常数,描述介质的光学性 质。 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。 注:若介质的光学性质是各向异性的,则、 和 应当是张量。
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光的波动性:光波
光电技术与应用课程
电磁波的基本性质:
1、电场矢量E,磁场H 和波矢k 三 者正交,构成右手螺旋系。
E
H
k
2、给定方向传播的电磁波,E 与 H 的传播方向均在垂直于 k 的平面内。 (横波)
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光的波动性:光波
光电技术与应用课程
3、空间各点E、H 均做周期变 化,两者相位相同,任意时刻 空间任何点有:
E H
Ex x Direction of Propagation
k
z y By
z
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光的波动性:光波
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4、真空中的光速为:
c 1/ 0 0
0 8.854 1012 F / m
真空中的介电常数 真空中的磁导率
0 4 107 H / m
c 3.0 10 m / s
8
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光的波动性:光波
光电技术与应用课程
5、电磁波在介质中传播速度为:
v 1/
介质中电磁波(光波)传播速度取决于 介质的介电常数和磁导率,而这两者均为电 磁波频率的函数,因此在介质中不同频率的 电磁波具有不同的传播速度,称为介质的色 散。
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光电技术与应用课程 光的偏振 (Polarization of light)
光的偏振状态
一. 线偏振光
向 传 播方
E
·
面对光的传播方向看
面 振 动
线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解
y
Ey E
Ex
x
E x E cos E y E sin
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线偏振光的表示法:
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· · · · ·
二. 自然光
光振动垂直板面
光振动平行板面
没有优势方
向
自然光的分解
一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直 的、等幅的、不相干的线偏振光。
Ex E y
自然光的表示法:
第2章 光学和电磁场基础知识
I Ix Iy
· · ·
信息与通信学院 陈 明
三. 部分偏振光
光电技术与应用课程
部分偏振光
部分偏振光的分解
部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂 直的、不等幅的、不相干的线偏振光。 部分偏振光的表示法:
·
·
·· ·· ··
垂直板面的光振动较强 信息与通信学院 陈 明
平行板面的光振动较强
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光电技术与应用课程 四. 圆偏振光、椭圆偏振光
右旋圆 偏振光
右旋椭圆 偏振光
y E
0 传播方向 x
y x
/2
某时刻左旋圆偏振光E 随z的变化
z
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五. 偏振度
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Ip Ip P It I n I p
It — 部分偏振光的总强度 In —部分偏振光中包含的自然光的强度 Ip —部分偏振光中包含的完全偏振光的强度
完全偏振光 (线、圆、椭圆 ) P =1 自然光 ( 非偏振光 ) P=0 部分偏振光 0
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光的波动性:光波 光电技术与应用课程
波动方程
2E E 2P E o o 2 o o 2 t t t
电磁波源: 通常(线性)情况下:
P oE
有外场作用(非 线性)情况下:
1 E 2 EE 3 EEE P o Po P
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2.1 光的基本属性
光电技术与应用课程
D)光的波粒二象性
19世纪末20世纪初,人们发现一些不能用波动学解释的现象:
•黑体辐射 •原子的线状光谱 •光电效应
光具有粒子性 1900年, M. Plank (普朗克)提出辐射的量子论 1905年, A. Einstein 提出光子说。
光具有粒子和波的双重性质——波粒二象性
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
光电技术与应用课程 2.1 光的基本属性:粒子性
光子(Photon)
光是由一群以光速运动的光量子(简称光子)组成, 光子具有如下性质: 1、光子具有能量E,且频率v满足: h为Plank 常数,h=6.626X10-34 J*s
E=hv
2、光子具有质量m,且静止质量为0: 运动质量: m=E/c2=hv/c2=h/(cλ)
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
光电技术与应用课程 2.1 光的基本属性:粒子性
光子(Photon)
3、光子具有动量p,且与波长λ和传播方向k有关:
n0为传播方向上的单位矢量。h’ = h/2π
p=(h/λ) n0 =hk
4、光子具有自旋,自旋的量子数为整数,服从 Bose-Einstein统计规律,为玻色子。
第2章
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电子和光子的区别
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光子(Photon)
m0
特征
静止质量 运动质量 传播特性 传播速度 时间特性 空间特性 粒子特性 电荷 自旋
电子(Electron)
me
不能在空气中传播 小于光速 具时间可逆性 高度的空间局域
0 hv/c2
能在空气中传播 等于光速 具一定的类时间可 逆性 不具空间局域性
费米子 -e ћ/2
玻色子 0 ћ
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第2章 光学和电磁场基础知识
信息与通信学院
热辐射的概念
光电技术与应用课程
1、热辐射 任何温度高于 0K 的物体都发射各种波长的电磁波,这种 由于分子、原子受到热激发而产生的辐射称为热辐射。
2、单色辐射本领(单色辐射度) 物体的辐射本领与温度T和波长λ有关。 dMe(λ,T):单位时间,从物体表面单位面积辐射出来的波 长λ~ λ+d λ范围内的辐射能。 单色辐射本领(单色辐射度):
Me(λ,T)= dMe(λ,T)/d λ
第2章 光学和电磁场基础知识
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热辐射的概念
光电技术与应用课程
3、辐射出射度(总辐射本领) 单位时间内,物体表面单位面积辐射出来的各种波长的总 辐射能,称为物体的总辐射本领,用Me(T)表示 ,有:
M e (T ) M e ( , T )d
0
4、吸收比和反射比 物体吸收的能量和入射的能量比值称为:吸收比; 物体反射的能量和入射的能量比值称为:反射比; 用α(λ,T)和ρ(λ,T)分别表示在温度T时,对于波长 λ~ λ+d λ范围的辐射能的单色吸收比和单色反射比。 对于不透明物体:
α(λ,T)+ρ(λ,T)=1
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
黑 体
光电技术与应用课程
在任何温度下,能够完全吸收照射到其身上的 任何波长的辐射能,并且在任一方向上都能最 大可能地辐射任意波长的物体,称为绝对黑 体,简称黑体,即
( , T ) 1
M ( , T ) 1
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
热辐射的概念
光电技术与应用课程
5、基尔霍夫辐射定律 G.R.Kirchhoff(基尔霍夫)定律:在同一温度下,任何物 体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比的比值相等,并 等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。
M 1 ( , T ) M 2 ( , T ) L M h ( , T ) 1 ( , T ) 2 ( , T )
(1)、一个好的吸收体,也是一个好的辐射体; (2)、一个物体的辐射出射度小于同温度下的黑体; (3)、黑体的辐射度不依赖于具体物体。
第2章 光学和电磁场基础知识
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黑体辐射规律
光电技术与应用课程
1、黑体辐射的实验规律 斯特藩(J.Stefan)—玻尔兹曼(L.Boltzmann)定律
M
eb(T)=σT4
σ=5.670X10-8W/(cm2K4) :Stefan—Boltzmann常数
第2章 光学和电磁场基础知识
信息与通信学院
陈
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黑体辐射规律
偏差很大。
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2、维恩公式(1896年),公式与实验在短波符合较好,在长波段
M eb ( , T ) C1 e C1 , C2为常数。
5 C2 / T
,
3、瑞利-金斯公式(1890年),经典统计物理导出。
M eb ( , T ) 2c kT
4
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
普朗克(Plank)公式
光电技术与应用课程
1900年,Plank 提出与经典物理格格不入的能量子假设: 黑体辐射与周围的电磁场交换能量。交换的能量只能是基本 单元的整数倍:ε,2ε , 3ε ,…
hv
黑体辐射的能量密度公式:
8hv 1 v 3 hv / kT c e 1
3
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
普朗克(Plank)公式
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黑体辐射的单色辐射出射度:
M eb ( , T ) 2hc
2 5
1 e
hv / kT
1
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维恩位移定律
光电技术与应用课程
将普朗克公式对波长λ求微分后令其等于0, 则可以得到峰值光谱辐射出射度所对应的波长 λm与绝对温度T 的关系为
2898 m ( m) T
可见,峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。 当温度升高时,峰值光谱辐射出射度对应的波长向短波方向 位移,这就是维恩位移定律。
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
黑体的峰值辐射度
光电技术与应用课程
将维恩位移公式代入黑体辐射的单色辐 射出射度公式,得到黑体的峰值光谱辐 射出射度公式 出度:
M eb, m 1.309T 10
5
15
(W cm m K )
2 1 5
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光电技术与应用课程 例1-1 若可以将人体作为黑体,正常人体温的为 36.5℃, (1)试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少 W/m2? (2)正常人体的峰值辐射波长为多少μm?峰值 光谱辐射出射度Me,b,λm为多少? (3)人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少?发 烧时的峰值光谱辐射出射度Me,b,λm又为多少?
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
光电技术与应用课程
解:(1)人体正常体的绝对温度为T=36.5+273=309.5K, 根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律,正常人体所发出的辐射 出射度为
M e,s , 309.5 520.3W / m
4
2
第2章 光学和电磁场基础知识
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陈
明
光电技术与应用课程 (2)由维恩位移定律,正常人体的峰值辐射波长为
2898 m (μm)=9.36μm T
M e , b , m
峰值光谱辐射出射度
为 1.309T 5 10 15 Wcm-2μm-1
=3.72 Wcm-2μm-1
(3)人体发烧到38℃时峰值辐射波长为
2898 m 9.32μm 273 38
发烧时的峰值光谱辐射出射度为
M e,b , m 1.309T 5 10 15 =3.81Wcm-2μm-1
第2章 光学和电磁场基础知识 信息与通信学院 陈 明
光电技术与应用课程
例1-2 将标准钨丝灯为黑体时,试计算它的峰值辐射波长,峰值 光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。 解 标准钨丝灯的温度为TW=2856K,因此它的峰值辐射波长为
2898 2896 m 1.015 (μm) T 2856
峰值光谱辐射出射度为
M e ,s , m 1.309T 5 10 15 =1.309×28565×10-15
总辐射出射度为
=248.7Wcm-2μm-1
M e ,s ,光学和电磁场基础知识 .67 10 8 2856 4 3.77 10 4 陈 / m 2 2856 4 5 W 明 第2章 信息与通信学院