物理光学(physical optics) 备课教案第一章光波的基本性质（The basic nature of light-wave）§1-1电磁场基本方程(Electromagnetic field fundamental equation)§1-1-1麦克斯韦方程组(Maxwell Equations)1、麦氏方程组2、各项物理意义§1-1-2物质方程(Matter Equation)1、表达式2、各项物理意义§1-1-3能量定律，波印廷矢量(Energy law, Poynting vector)1、目的2、电磁场的能量定律3、电磁场能量定律的物理意义4、波印廷矢量§1-1-4波动方程(Wave equation)1、波动方程表达式2、物理含义§1-2 电磁波(Electromagnetic wave)1、几个概念：光扰动、光矢量、光场、光振动、横波、波印廷矢量、波面2、标量形式的波动方程§1-2-1平面波球面波谐波(P lane wave, spherical wave, harmonic wave)一、平面波P lane wave1、定义2、表达式3、图示4、波动方程5、物理意义二、球面波spherical wave1、定义2、函数表达式3、解4、物理意义三、谐波harmonic wave1、定义2、数学表达式（1）通式（2）平面谐波（3）球面谐波表达式3、性质（1）时间周期性（2）空间周期性（3）时间周期性和空间周期性的关系（4） 程长与位相之间的关系 4、 谐波数学表达式的简称 （1） 平面谐波 （2） 球面谐波§1-2-2光波的复数表达式 (The complex expression of light-wave) 1、 表达式 2、 复振幅 3、 总结§1-2-3光波的位相 (Phase of light wave)1、当δ>0时, E a (+)位相超前E b (+)或者说E b (+)的位相滞后；2、当δ<0时, E a (+)位相滞后E b (+)或者说E b (+)的位相超前。
例1 设E 1和E 2两列波沿同一方向Z 传播，E 1从原点出发，而E 2从A 点出发，OA 距离为d ，问在P 点两列波的位相哪个超前。
例2 设两列波的频率相同，振动方向互相垂直，二者的传播方向都为Z 轴。
如果y x υυ>，问E x 相对E y 在位相上是超前还是滞后。
§1-2-4相速度和群速度 (Phase and group velocities) 1、 相速度（1） 平面波的相速度 （2） 球面波的相速度 （3） 一般情况下的相速度 2、 群速度 （1） 单色波 （2） 群速度条件 （3） 群速度定义（4） 群速度求法（5） 群速度与色散之间的关系 §1-2-5光的横波性 偏振态及其表示(The transverse wave nature and polarization state of light and theirrepresentations)一、 光的横波性The transverse wave nature of light1、0=⋅=⋅l H l E2、E H r εεμ00=3、)cos(00δω+-=z t k E E4、s l H l E 200200rr εεμμεε==二、光波的偏振态The polarization state of light-wave1、 椭圆偏振 elliptical polarization（1） 定义 （2） 位相条件 （3） 方程2、 线偏振和圆偏振linear polarization and circular polarization（1） 定义 （2） 位相条件 （3） 方程三、椭圆偏振光各参量之间的关系The relationship of each parameter in the elliptical polarized light1、三角函数表示法 trigonometric function representationψδ2cos )2(tg a tg =⋅ x a 2sin sin )2(sin =⋅δa oxoy tan =E E222020b a E E y x +=+2、 琼斯矩阵表示法 Jones matrix representation⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=200δδi y i x y x e e E E E ~E ~E （1） 椭圆偏振光 （2） 线偏振光① 水平方向，即X 方向振动的线偏振光 ② 垂直方向，即Y 方向振动的线偏振光 ③ 与X 正方向成45°振动的线偏振光 （3） 圆偏振光 ① 左旋圆偏振光 ② 右旋圆偏振光 （4）琼斯矢量的应用 ① 计算偏振光的叠加 ② 计算偏振光的分解3、斯托克斯矢量表示法Stokes vector representation⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=3210S S S S S 其中 x x x 2sin 2sin 2cos 2cos 2cos 03000123222120S S S S S S S S S S =⋅=⋅=++=ψψ（1）线偏振光：① 水平方向振动的线偏振光的斯托克斯矢量 ② 在垂直方向上振动的线偏振光的斯托克斯矢量 ③ 在水平方向或θ角的方向上振动的线偏振光 （2）圆偏振光② 右旋圆偏振光 ③ 左旋圆偏振光 （3）椭圆偏振光4、邦加球表示法Banka ball representation（1） 线偏振光在帮加球上的位置（2） 圆偏振光 （3） 椭圆偏振光§1-3光波在各向同性媒质界面上的反射和折射(The reflection and refraction of light-wave at the interface of isotropic medium)§1-3-1边界条件 (Boundary condition) 一、 法向分量 normal componentn B n B 21= n 2n 1D D =二、 切向分量 tangential componentE 1• t=E 2• tt 2t 1E E =§1-3-2反射定律和折射定律 (Reflection law and refraction law))()(0)(r l k t ωi i i i i E ⋅-=e E i )()(0)(r l k t ωi E ⋅-=r r r e E r r )()(0)(r l k t ωi E ⋅-=t t t eE t t t 2t 1E E = t k r k r k ⋅=⋅=⋅t r i（1）证明入射光和反射光、折射光光面均在入射面内 （2）入射角、反射角、折射角之间的关系 §1-3-3菲涅耳公式 (Fresnel formula)1、 电场强度E 垂直入射面的情况（即讨论⊥E 分量和相应的//H 分量） （1）先分别写出入射波、反射波、折射波的⊥E 和//H 的表达式：r ls ik i ωωr ls ik i ωωr ls ik i ωωE E E E E E i i ⋅-⊥⊥⋅-⊥⊥⋅-⊥⊥⋅=⋅=⋅=t t r r e e e e e e t t r r i i )(0)()(0)()(0)( r ls ik i ωω////r ls ik i ωω////r ls ik i ωω////E H E H H H i i ⋅-⋅-⋅-⋅=⋅=⋅=t t r r e ee e e e t t r r i i )(0)()(0)()(0)( （2）对于两透明媒质的分界面，有下列边界条件t 2t 1E E = t 2t 1H H =（3）因为⊥E 平行于Z 轴，又因为分界面为XOZ 平面，所以⊥E 平行于分界面，即t E E =⊥ 因此有 )()(1r i t ⊥⊥+=E E E )(2t t ⊥=E E )cos cos ()(1)(1)(1θθr i ////t //1t H H H H +-==1)(22cos )(θt //t //t H H H -==所以有 )()()(t r i ⊥⊥⊥=+E E E （4）反射光、折射光的垂直分量（振幅和相位）和入射光垂直分量之间的关系)(0)(0)(0t r i ⊥⊥⊥=+E E E)(02121)(0)sin()sin(i r ⊥⊥+--=E E θθθθ)(02112)(0)sin(cos sin 2i t ⊥⊥+-=E E θθθθ2、 电场强度E 平行入射面的情况（即讨论E //分量和相应的⊥H 分量）3、 菲涅耳公式 （1）公式（2）记忆方法（3）振幅反射比r 和振幅透射比随入射角θ1的变化曲线 §1-3-4反射率和透射率 (reflectivity and transmissivity ) 一、反射率和透射率reflectivity and transmissivity 1、 定义2、 表达式 1=+T R3、 线偏振光的表达式三、 影响反射率的因素 The factor of influence reflectivity 1. α 2 θ13 n 2 举例22020E E I Ir R i t r r ===)()()()(11222020i n n E E I I T θθcos cos )()()()(⋅==i t t§1-3-5反射和折射时的偏振 (The polarization of reflection and refraction)一 α：αr αt二 偏振度 1定义 2举例3反射光、折射光的偏振状态 （1）θ1=00或θ1=900时有⊥=R R // （2）B θθ=1（3）B θθ≠1、00或900时§1-3-6在垂直入射和斜入射情况下反射光的相位跃变(The phase mutation of reflective light at normal incidence andoblique incidence)一、 折射光无相位跃变The non-phase mutation of refract light 二、 反射光的相位跃变The phase mutation of reflective light 1 21n n < 1）B θθ<1 2）B θθ=1 3）B θθ>1 2 21n n > 1）B θθ<1 2）B θθ>1 3 小角度和略入射 1）小角度2）略入射§1-3-7全反射(total reflection)1）定义2）复数形式的折射定律3）复数形式的菲涅尔定律4）反射光的强度5）反射光的相位跃变6）光波在第二媒质中的穿透深度§1-4光波在金属表面上的反射和折射(The reflection and refraction of light-wave at the surface of metal)§1-4-1导体中的电磁波(Electromagnetic wave in the conductor)§1-4-2金属对光的反射和折射(The reflection and refraction of light at the surface of metal)应用知识1、光导纤维：利用全反射原理传输光信号。