Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Basic_Optics_book.pdf
Скачиваний:
247
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
3.03 Mб
Скачать

1. Описание световых волн

1.1. Основные свойства световых полей

Световым полем называют электромагнитное поле в оптическом диапазоне частот. Оптические частоты чрезвычайно велики (порядка 1014 1015 Гц), а разность частот между границами оптического диапазона очень мала по сравнению с их величинами, поэтому принято измерять оптический диапазон в длинах волн. Специфика оптического диапазона заключается в его двух главных особенностях:

в оптическом диапазоне выполняются законы геометрической оптики,

в оптическом диапазоне свет очень слабо взаимодействует с веществом. Для частот, более низких, чем частоты оптического диапазона, нельзя

построить оптические системы по законам геометрической оптики, а электромагнитное поле более высоких частот, как правило, либо проходит сквозь любое вещество, либо разрушает его.

Оптический диапазон состоит из следующих видов излучения:

рентгеновское, ультрафиолетовое (УФ), видимое, инфракрасное (ИК). Если во времена Ньютона в оптический диапазон входило только видимое излучение, то с техническим прогрессом диапазон существенно расширился, причем рентгеновское излучение включено в оптический диапазон совсем недавно – примерно 20 лет назад. Не исключено дальнейшее расширение оптического диапазона.

На рис.1.1.1 показан участок шкалы электромагнитного излучения в длинах волн, соответствующий оптическому диапазону. Границы оптического диапазона, а также границы между его участками установлены на основе экспериментальных данных и не являются абсолютно точными.

рентгеновское

излучение

 

 

ультрафиолетовое

 

видимый свет

 

 

инфракрасное излучение

 

 

 

 

 

излучение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ, мкм

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

40.0

Рис. 1.1.1. Оптический диапазон.

5

1.2. Уравнения Максвелла

Уравнения Максвелла явились итогом интенсивных исследований электричества, магнетизма и световых явлений, проводимых в первой половине XIX века. В то время, когда стало ясно, что свет и электромагнитное поле – это одно и то же, появился и универсальный математический аппарат, связывающий между собой функции изменения во времени и пространстве электрического и магнитного полей.

Электромагнитное поле по своей природе векторное, то есть все его изменения, происходящие во времени, имеют определенную ориентацию в пространстве.

Основными величинами, определяющими электромагнитное поле,

являются вектор электрической напряженности поля E и вектор магнитной напряженности поля H . Эти векторы являются функциями времени t и координат в пространстве, описываемых радиус-вектором r :

E = E(r,t) , [E]= вольт/ м

H= H(r,t) , [H]= А/ м

Всреде, отличной от вакуума, под действием электромагнитного поля возникает электрическая индукция D и магнитная индукция B :

D= D(r, t) , [D]= кл/ м2

B= B(r, t) , [B]= вебер/ м2

Вуравнения Максвелла кроме указанных величин входят объемная плотность заряда ρ , поверхностная плотность тока J , электрическая

проницаемость ε и магнитная проницаемость µ среды:

ρ = ρ(r,t) , [ρ]= кл/ м3

J= J(r, t) , [J]= А/ м2

ε= ε(r) , µ = µ(r)

Уравнения Максвелла (Maxwell’s equations) обычно записываются в дифференциальной форме с использованием обозначений, приведенных в Приложении A. Эти уравнения имеют следующий вид:

 

×E = −B

(1)

(2)

×H = D+ J

6

D = ρ

(3)

 

D = ε E

(5)

(1.2.1)

B = 0

(4)

 

B = µ H

(6)

 

 

 

 

 

 

 

Уравнения (5-6) называют материальными уравнениями, так как они учитывают свойства вещества.

Уравнения Максвелла в классических обозначениях имеют вид:

 

 

rotE = −B

(1)

 

 

 

rotH = D+ J

(2)

(1.2.2)

divD = ρ

(3)

 

divB = 0

(4)

 

В вакууме и диэлектриках, плотность заряда и токи

равны нулю:

ρ = 0 , J = 0, поэтому

уравнения Максвелла для диэлектрической среды

выглядят следующим образом:

 

 

 

×E = −B

(1)

 

 

 

×H = D

(2)

(1.2.3)

D = 0

(3)

 

B = 0

(4)

 

Для вакуума из уравнений Максвелла можно получить следующее важное соотношение:

ε0

µ0

=

1

 

(1.2.4)

 

 

 

c

 

 

где

c = 3 108 км

с

– скорость распространения электромагнитного

 

 

 

 

 

излучения в вакууме, ε0 и µ0 – электрическая и магнитная постоянные в вакууме.

Электрическая проницаемость ε для разных сред может принимать различные значения, а магнитная проницаемость µ для оптических частот во всех средах практически не отличается от µ0 . Для линейных сред ε и µ не зависят от E и H , то есть электрическая и магнитная постоянные линейной среды не зависят от интенсивности света.

7

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]