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1、上節(jié)課的內(nèi)容：光波與電磁波 麥克斯韋方 程組 1. 電磁波譜 2. 麥克斯韋電磁方程 3. 物質(zhì)方程 5. 光電磁場(chǎng)的能流密度 4. 波動(dòng)方程 1.2 幾種特殊形式的光波 (Several light waves with special forms ) 3. 柱面光波 (Cylindrical light wave) 1. 平面光波 (Plane light wave) 2. 球面光波 (Spherical light wave) 4. 高斯光束 (Gaussian beams) 上節(jié)得到的交變電場(chǎng) E 和交變磁場(chǎng) H 所滿足的波動(dòng) 方程，可以表示為如下的一般形式： 1.2 幾種特殊形式的光
2、波 這是一個(gè)二階偏微分方程，根據(jù)邊界條件的不同，解 的具體形式也不同，例如 ， 可以是平面光波、球面光 波、柱面光波或高斯光束 。 2 2 22 1 0 ( 1 8 ) t ff 2 2 22 2 2 22 1 0 ( 13 ) 1 0 E E t H H t 首先說(shuō)明，光波中包含有 電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量 ，從 波的傳播特性來(lái)看，它們處于同樣的地位，但是從 光與介質(zhì)的相互作用來(lái)看，其作用不同。 在通常應(yīng)用的情況下，磁場(chǎng)的作用遠(yuǎn)比電場(chǎng)弱，甚 至不起作用。因此，通常把光波中的電場(chǎng)矢量 E 稱 為光矢量 ， 把電場(chǎng) E 的振動(dòng)稱為光振動(dòng)，在討論光 的波動(dòng)持性時(shí)，只考慮電場(chǎng)矢量 E 即可。 1. 平面光
3、波 (Plane light wave) 1）波動(dòng)方程的平面光波解 2 2 2 2 2 2 2x y z 在直角坐標(biāo)系中，拉普拉斯算符的表示式為 為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè) f 不含 x、 y 變量，則波動(dòng)方程為 22 2 2 2 1 0 ( 1 9 ) zt ff 1. 平面光波 (Plane light wave) 1）波動(dòng)方程的平面光波解 11( ) ( ) 0 z t z t f 為了求解波動(dòng)方程，先將其改寫(xiě)為 令 p z t q z t 可以證明 11 () 2 11 () 2 p z t q z t 1）波動(dòng)方程的平面光波解 因而，上面的方程變?yōu)?2 0pq f 求解該方程， f 可表示為
4、1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 0 )p q z t z t 2 1 2f f f f f 對(duì)于式中的 f1 (z - t)， (z - t)為常數(shù)的點(diǎn)都處于相 同的振動(dòng)狀態(tài)。如圖所示， t 0 時(shí)的波形為 I， t t1時(shí)的波形 相對(duì)于波形 I 平移了 t1 , 。 1）波動(dòng)方程的平面光波解 f1(z - t) 表示的是沿 z 方向、以 速度傳播的波。 類似地，分析可知 f2(z + t) 表示的是沿 - z 方向、以速度 傳播的波。 f t z t = 0 t1 t2 t1 波陣面：將某一時(shí)刻振動(dòng) 相位相同 的點(diǎn)連接起來(lái)， 所組成的曲面叫波陣面。 由于此時(shí)的波陣面是垂直 于傳播
5、方向 z 的平面，所以 fl 和 f2 是平面光波。 1）波動(dòng)方程的平面光波解 O x y z k 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 0 )p q z t z t 2 1 2f f f f f 在一般情況下，沿任一方向 k、以速度 v 傳播的平 面波，如右圖所示。 1）波動(dòng)方程的平面光波解 z O x y k 2）單色平面光波 （ 1） 單色平面光波的三角函數(shù)表示 c o s ( ) s i n ( )t k z t k z f A B (20)式是波動(dòng)方程在 平 面光波情況下的一般解形式， 根據(jù)具體條件的不同，可以采取不同 的 具體 函 數(shù)表 示。 最 簡(jiǎn)單、最普遍采用的是三角函數(shù)
6、形式 ，即 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 0 )p q z t z t 2 1 2f f f f f （ 1） 單色平面光波的三角函數(shù)表示 若只計(jì)沿 + z 方向傳播的平面光波，其電場(chǎng)表示式為 00 0 c o s ( ) c o s ( ) c o s 2 ( ) ( 2 1 ) z E E t k z E t tz E T ee e 這就是平面簡(jiǎn)諧光波的三角函數(shù)表示式。式中， e 是 E 振動(dòng)方向上的單位矢量。 c o s ( ) s i n ( )t k z t k z f A B （ 1） 單色平面光波的三角函數(shù)表示 所謂單色，即指單頻 。一個(gè)單色平面光波是一個(gè)在 時(shí)間上
7、無(wú)限延續(xù)，空間上無(wú)限延伸的光波動(dòng)，在時(shí) 間、空間中均具有周期性。 其時(shí)間周期性用周期 （ T） 、頻率 （ v） 、圓頻率 （ ） 表征，而由 （ 21） 式形式的對(duì)稱性，其空間周期性 可用 、 1/ 、 k 表征，并分別可以稱為 空間周期、 空間頻率和空間圓頻率 。 （ 1） 單色平面光波的三角函數(shù)表示 單色平面光波的時(shí)間周期性與空間周期性密切相關(guān) , 并由 v / 相聯(lián)系。 2 i ( / )( , ) e c o s 2 ( / ) i s in 2 ( / ) x v tx t A A x v t x v t 為便于運(yùn)算，經(jīng)常把平面簡(jiǎn)諧光波的波函數(shù)寫(xiě)成復(fù) 數(shù)形式。 例如，可以將沿 z
8、方向傳播的平面光波寫(xiě)成 采用這種形式，就可以用簡(jiǎn)單的指數(shù)運(yùn)算代替比較 繁雜的三角函數(shù)運(yùn)算。 i ( )0 ( 22)t k ze EE （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 例如，在光學(xué)應(yīng)用中，經(jīng)常因?yàn)橐_定光強(qiáng)而求振 幅的平方 E20，對(duì)此，只需將復(fù)數(shù)形式的場(chǎng)乘以它 的共軛復(fù)數(shù)即可， （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 * i ( ) i ( ) 20 0 0t k z t k zE E E e E e E 應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，任意描述真實(shí)存在的物理量的參量都應(yīng) 當(dāng)是實(shí)數(shù)，在這里采用復(fù)數(shù)形式只是 數(shù)學(xué)上運(yùn)算方便 的需要 。 由于對(duì) （ 22） 式取實(shí)部即為 （ 21） 式所示的函數(shù)，所 以，對(duì)復(fù)數(shù)形式的量進(jìn)行
9、線性運(yùn)算，只有取實(shí)部后才 有物理意義，才能與利用三角函數(shù)形式進(jìn)行同樣運(yùn)算 得到相同的結(jié)果。 （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 i ( )0 ( 22)t k zE E e 00c o s( ) c o s 2 ( ) ( 2 1 ) tzE e E t k z e E T 此外，由于對(duì)復(fù)數(shù)函數(shù) exp-i(t-kz)與 expi(t-kz) 兩 種形式取實(shí)部得到相同的函數(shù)，所以對(duì)于平面簡(jiǎn)諧 光波，采用 ， exp-i(t-kz)和 expi(t-kz)兩種形式完 全等效。 （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 exp-i(t-kz) expi(t-kz) （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 對(duì)于平面簡(jiǎn)詣光
10、波的復(fù)數(shù)表示式，可以將時(shí)間相位 因子與空間相位因子分開(kāi)來(lái)寫(xiě)： i i i0 ( 23 )k z t te e EeEE 式中 0 ( 24)i k zeEE 稱為 復(fù) 振幅 。 （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 若考慮場(chǎng)強(qiáng)的初相位，復(fù)振幅為 0()0 ( 2 5 )i k ze EE 復(fù)振幅表示場(chǎng)振動(dòng)的振幅和相位 隨空間的變化 。在許 多應(yīng)用中，由于 exp(-it) 因子在空間 各處都相同 ，所 以只考察場(chǎng)振動(dòng)的空間分布。 （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 進(jìn)一步，若平面簡(jiǎn)諧光波沿著任一波矢 k 方向傳播 , 則其 三角函數(shù)形式和復(fù)數(shù)形式 表示式分別為 00c o s ( ) ( 2 6 )t
11、E E k r 0i ( )0 ( 2 7 )te krEE 相應(yīng)的復(fù)振幅為 0i ( )0 ( 2 8 )e krEE （ 2） 單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 在信息光學(xué)中，經(jīng)常遇到 相位共扼光波 的概念。所 謂相位共扼光波，是指兩列同頻率的光波，它們的 復(fù)振幅之間是 復(fù)數(shù)共軛 的關(guān)系。 0i i s in0 ( 2 9 )kxee EE 00* s in s in ( )00 ( 3 0 )i ik x i ik xe e e e E E E 0i ( )0 ( 2 8 )e krEE 0* 0 ( 3 1 )iiee krEE （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 假設(shè)有一個(gè)平面光波的波矢量 k 平
12、行于 xOz 平面，在 z 0 平面上的 復(fù) 振幅 為 0i i s in0 ( 2 9 )kxee EE 式中的 為 k 與 z 軸的夾角。 x z E O x z E O 0 sin sinxx xz z k k k r k x k x k r k x k z （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 則相應(yīng)的相位共扼光波復(fù)振幅為 此相位 共軛 光波是與 波來(lái)自同一 側(cè) 的平面光波， 其波矢量平行于 xOz 平面 ， 與 z 軸夾角為 - 。 E 00* s in s in ( )00 ( 3 0 )i ik x i ik xe e e e E E E 0i i s in0 ( 2 9 )kxee
13、EE （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 此相位 共軛 光波是與 波來(lái)自同一 側(cè) 的平面光波， 其波矢量平行于 xOz 平面 ， 與 z 軸夾角為 - 。 E x z E * E O - E （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 如果對(duì)照 （ 30） 式，把 （ 28） 式的復(fù)數(shù)共扼寫(xiě)成 則這個(gè)沿 -k 方向，即與 波反向傳播的平面光波 也是其相位共扼光波。 0* 0 ( 3 1 )iiee krEE 0i ( )0 ( 2 8 )e krEE E （ 2）單色平面光波的復(fù)數(shù)表示 一個(gè)各向同性的點(diǎn)光源，它向外發(fā)射的光波是球面 光波，等相位面是以點(diǎn)光源為中心、隨著距離的增 大而逐漸擴(kuò)展的同心球面。 球面波
14、 r 光線 波陣面 2. 球面光波 (Spherical light wave) 球面光波所滿足的波動(dòng)方程仍然是 （ 18） 式，只是 由于球面光波的球?qū)ΨQ性，其波動(dòng)方程僅與 r 有關(guān)， 與坐標(biāo) 、 無(wú)關(guān)，所以球面光波的振幅只隨距離 r 變化。若忽略場(chǎng)的矢量性，采用標(biāo)量場(chǎng)理論，可將 波動(dòng)方程表示為 2 2 22 1 0 ( 3 2 )ff t 式中 ， 。 ( , )f f r t 2. 球面光波 (Spherical light wave) 2 2 22 1 0 ( 1 8 ) t ff 對(duì)于球面光波，利用球坐標(biāo)討論比較方便。此時(shí) ， （ 32） 式可表示為 2. 球面光波 (Spheric
15、al light wave) 即 2 2 2 2 2 11( ) 0 ( 3 3 )ffr rrrt 22 2 2 2 ( ) 1 ( ) 0rf rf rt 因而其解為 12( ) ( )f r t f r tf rr f1 (r -t) 代表從原點(diǎn)沿 r 正方向向外發(fā)散的球面光波， f2 (r +t) 代表向原點(diǎn)傳播的會(huì)聚球面光波。球面波 的振幅隨 r 成反比例變化。 2. 球面光波 (Spherical light wave) 1 c o s ( ) ( 3 5 )AE t k r r 其復(fù)數(shù)形式為 最簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)諧球面光波 單色球面光波的波函數(shù)為 i ( )1 ( 3 6 )t k rAE
16、e r 復(fù)振幅為 i1 ( 3 7 )krAEe r 上面三式中的 A1 為離開(kāi)點(diǎn)光源單位距離處的振幅值。 2. 球面光波 (Spherical light wave) 一個(gè)各向同性的 無(wú)限長(zhǎng)線光源 ，向外發(fā)射的波是柱面 光波，其等相位面是以線光源為中心軸、隨著距離的 增大而逐漸展開(kāi)的 同軸圓柱面 ，如圖所示。 z r 3. 柱面光波 (Cylindrical light wave) 柱面光波所滿足的波動(dòng)方程可以采用以 z 軸為對(duì)稱 軸、不含 z 的圓柱坐標(biāo)系形式描述： 2 22 11( ) 0 ( 3 8 )ffr r r r t 式中， 。這個(gè)方程的解形式比較復(fù)雜，此 處不詳述。但可以證明
17、，當(dāng) r 較大（遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)） 時(shí)，其單色柱面光波的表示式為 22r x y i ( )1 ( 3 9 )t k rAEe r 3. 柱面光波 (Cylindrical light wave) 復(fù)振幅為 i1 ( 4 0 )krAEe r 可以看出，柱面光波的振幅與 成反比。 r i ( )1 ( 3 9 )t k rAEe r 3. 柱面光波 (Cylindrical light wave) 由激光器產(chǎn)生的激光束既不是上面討論的均勻平面光 波，也不是均勻球面光波，而是一種 振幅和等相位面 都在變化的高斯球面光波 ，亦稱為高斯光束。 在由激光器產(chǎn)生的各種模式的激光中，最基本、應(yīng)用 最多的是基模（
18、 TEM00）高斯光束，因此，在這里僅 討論基模高斯光束。有關(guān)這種高斯光束的產(chǎn)生、傳輸 特性的詳情，可參閱激光原理教科書(shū)。 4. 高斯光束 (Gaussian beams) 從求解波動(dòng)方程的觀點(diǎn)看，基模高斯光束仍是波動(dòng)方 程（ 18）式在激光器諧振腔條件下的一種特解。它是 以 z 軸為柱對(duì)稱的波，其表達(dá)式內(nèi)包含有 z，且大體 朝著 z 軸的方向傳播。 2 2 22 1 0 ( 1 8 ) t ff 4. 高斯光束 (Gaussian beams) 考慮到高斯光束的柱對(duì)稱性，可以采用 圓柱坐標(biāo)系 中的波動(dòng)方程形式： 2 2 2 2 2 2 2 11( ) 0 ( 4 1 )E rrr z t 其
19、解的一般函數(shù)形式為 ( , , )E E r z t 可以證明，下面的表達(dá)式滿足上述波動(dòng)方程： 4. 高斯光束 (Gaussian beams) 22 2 i ( ) a r c t a n 2 ( ) j()0 00 ( , , ) ( 4 2 )() rzr kz R z f tzEE r z t e e e z 式中 E0 常數(shù)，其余 符號(hào)的意義為 2 2 2 2 0 2 2 0 2 ( ) 1 ( ) ( 4 3 ) () r x y k z z f f R z z z f 4. 高斯光束 (Gaussian beams) 這里， 0=(z = 0) 為基模高斯光束的 束腰半徑 ； f
20、 為高斯光束的共焦參數(shù)或 瑞利長(zhǎng)度 ； R(z) 為與傳播 軸線相交于 z 點(diǎn)的高斯光束 等相位面的曲率半徑 ； (z) 是與傳播軸線相交于 z 點(diǎn)高斯光束等相位面上 的 光斑半徑 。 4. 高斯光束 (Gaussian beams) (z) 0 R(z) z 0 (42) 式的波場(chǎng)就是基模高斯光束的標(biāo)量波形式，由它 可以研究： 4. 高斯光束 (Gaussian beams) 22 2 i ( ) a r c t a n 2 ( ) j()0 00 ( , , ) ( 4 2 )() rzr kz R z f tzEE r z t e e e z (1) 光強(qiáng)分布的特征 ; (2) 空間相移
21、特征 ; (3) 發(fā)散角的特征： （ 1）基模高斯光束在橫截面內(nèi)的 光電場(chǎng)振幅分布 按 照高斯函數(shù)的規(guī)律從中心（即傳播軸線）向外平滑 地下降，如圖所示。 1/e z 0 1 exp-r2/2(z) (z) (z) 4. 高斯光束 (Gaussian beams) 2 0( ) 1 ( ) ( 4 4 ) zz f 由中心振幅值下降到 1/e ( 1/2.718281828459=0.3678)點(diǎn) 所對(duì)應(yīng)的寬度，定義為 光斑半徑 。 22 2 i ( ) a r c t a n 2 ( ) j()0 00 ( , , ) ( 4 2 )() rzr kz R z f tzEE r z t e e
22、 e z 2 0( ) 1 ( ) zz f （ 1）基模高斯光束在橫截面內(nèi)的光電場(chǎng)振幅分布 2 0( ) 1 ( ) ( 4 4 ) zz f 可見(jiàn)，光斑半徑隨著坐標(biāo) z 按 雙曲線的規(guī)律擴(kuò)展 ，即 22 22 0 () 1 ( 4 5 )zz f 在 z 0 處， (z)=0，達(dá)到極小值， 稱為束腰半徑 。 （ 1）基模高斯光束在橫截面內(nèi)的光電場(chǎng)振幅分布 由（ 45）式可見(jiàn)，只要知道高斯光束的束腰半徑 0 ， 即可確定任何 z 處的光斑半徑 .0 是由激光器諧振腔 決定的 , 改變激光器諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) , 即可改變 0 值 . (z) 0 R(z) z 0 22 22 0 () 1 (
23、4 5 )zz f 2 0f （ 1）基模高斯光束在橫截面內(nèi)的光電場(chǎng)振幅分布 (2) 基模高斯光束場(chǎng)的相位因子 2 00 ( , ) a r c ta n ( 4 6 )2 ( ) rzr z k z R z f 22 2 i ( ) a r c t a n 2 ( ) j()0 00 ( , , ) ( 4 2 )() rzr kz R z f tzEE r z t e e e z 決定了基模高斯光束的空間相移特性。 (2) 基模高斯光束場(chǎng)的相位因子 (a) kz 描述了高斯光束的幾何相移； (b) arctan(z/f ) 描述了高斯光束在空間行進(jìn)距離 z 處、 相對(duì)于幾何相移的附加相移；
24、 (c) 因子 kr2/(2R(z) 則表示與橫向坐標(biāo) r 有關(guān)的相 移，它表明高斯光束的等相位面是以只 R(z) 為半 徑的球面。 2 00 ( , ) a r c ta n ( 4 6 )2 ( ) rzr z k z R z f 2 2 2r x y （ 2） 基模高斯光束場(chǎng)的相位因子 2 ( ) ( 4 7 )fR z z z R(z) 隨 z 的變化規(guī)律為 2 2 0 () f R z z z f （ 2） 基模高斯光束場(chǎng)的相位因子 可見(jiàn)： 當(dāng) z 0 時(shí)， R(z) ， 表明束腰所在處的等相位 面為平面； 當(dāng) z 時(shí)， R(z)z ， 表明離束腰無(wú)限遠(yuǎn) 處的等相位面亦為平面，且曲率
25、心就在束腰處； 當(dāng) z f 時(shí)， R(z) 2f，達(dá)到極小值； 2 ( ) ( 4 7 )fR z z z （ 2） 基模高斯光束場(chǎng)的相位因子 當(dāng) 0 z f 時(shí)， R(z) 2f，表明等相位面的曲率中 心在 （ ， f） 區(qū)間上 ； 當(dāng) z f 時(shí)， z R(z) z f，表明等相位面的曲率中 心在 （ f， 0） 區(qū)間上。 2 ( ) ( 4 7 )fR z z z (z) R(z) z 0 f - f 基模高斯光束既非平面波，又非均勻球面波，它的發(fā) 散度采用 遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角表征 。遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角 1/e2定義為 z 時(shí)，強(qiáng)度為中心的 1/e2 (0.135335) 點(diǎn)所夾角的全 寬度，即 21/ 0 2 ( ) 2l im ( 4 8 ) e z z z 顯然，高斯光束的發(fā)散度由束腰半徑 0 決定。 （ 3）基模高斯光束發(fā)散角 2 0 2 0 ( ) 1 ( ) z z f f 基模高斯光束在其傳播軸線附近，可以看作是一種 非 均勻的球面波 ，其等相位面是曲率中心不斷變化的球 面， 振幅和強(qiáng)度在橫截面內(nèi)保持高斯分布 。 (z) 0 R(z) z 0 4. 高斯光束 (Gaussian beams) 1/e z 0 1 exp-r2/2(z) (z) (z)
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