- •Введение.
- •1.Основы электромагнитной теории света
- •1.1 Уравнения Максвелла
- •2. Уравнение Гельмгольца
- •Плоские и сферические волны
- •Энергетические характеристики электромагнитного поля
- •Поток энергии
- •Приближение геометрической оптики
- •Траектория (ход) луча
- •Дисперсия света. Фазовая и групповая скорость.
- •Отражение и преломление на границе двух диэлектриков
Плоские и сферические волны
,
заряд на которой меняется с частотой
.
Из соображений симметрии ясно, что все
возмущения от этой плоскости будут
распространяться в направлении нормали
к ней, т.е. в каждый момент времени поле
будет изменяться в направлении нормали
и оставаться неизменным в плоскостях,
перпендикулярных ей. Выберем систему
координат так, что бы начало ее находилось
в плоскости
,
а вектор нормали к ней
составлял углы
с соответствующими осями координат.
Таким образом, вектор
является единичным и его компоненты
имеют вид
.
(3.1)
Условием
постоянства поля в плоскостях,
параллельных
,
является то, что аргументы решения
волнового уравнения должны быть связаны
условием, что они удовлетворяют уравнениям
этих плоскостей, т.е. переменные
в
волновом уравнении должны быть в
комбинации
|
(3.2) |
т.е.
.
Перейдем в уравнении (2.13) (представленном
в координатах)
|
(3.3) |
к
переменной
(3.2).
|
(3.4а) |
|
(3.4б) |
Выполняя
аналогичные действия для производных
по
и
и подставляя полученные выражения
в (3.3). получим
|
(3.5) |
где
,
т.к.
- единичный вектор.
Получилось обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка, решение которого хорошо известно
|
(3.6) |
Так
как нас интересует лишь уходящая волна,
то
и решение можно записать в виде (полагая
)
|
(3.7) |
где
,
- т.н. волновой вектор, длина которого
равна волновому числу, а направление
совпадает с направлением распространения
волны. Выражение (3.7) представляет собой
уравнение плоской волны, выраженное
через комплексную амплитуду.
Объединяя
компоненты
в вектор (т.к. у каждой компоненты будет
такое же выражение для волны ), можно
записать
|
(3.8) |
где
-
амплитуды компонент. Возвращаясь к
временной зависимости, найдем, что
напряженность магнитного поля
|
(3.9) |
где
вектор амплитуд напряженности магнитного
поля.
Соотношения
между векторами напряженности
электрического и магнитного поля.
Так как уравнения Максвелла в однородном
изотропном пространстве без токов и
зарядов симметричны относительно
и
,
то, выполняя аналогичные действия для
,
можно получить выражение для плоской
волны электрического поля
|
(3.10) |
где
вектор амплитуд напряженности
электрического поля.
Найдем зависимость между и в плоской волне. Для этого подставим выражение (3.9) в первое уравнение Максвелла (1.1)
|
(3.11) |
Воспользовавшись формулой векторного анализа
|
(3.12) |
где
-
скалярная, а
-
векторная функция и учитывая, что
,
и
,
получим
.
(3.13)
По аналогии, подставляя (3.10) в (1.2) получим
.
(3.14)
Выражения (3.13) и (3.14) показывают, что векторы и перпендикулярны вектору .
Умножая
(3.13) скалярно на
и учитывая, что
,
получим, что
,
(3.15)
т.е. и перпендикулярны друг другу. Таким образом, векторы , и образуют тройку взаимно перпендикулярных векторов, откуда следует, что электромагнитные волны поперечны.
Вычисляя модуль выражения (3.13) или (3.14), найдем связь между ,
.
(3.16)
Наконец,
умножая (3.14) справа векторно на
, и раскрывая двойное векторное
произведение по формуле
,
а также учитывая, что
,
получим, что
,
(3.16)
т.е. векторы , и образуют правую тройку и направление распространения волны можно определить по правилу “буравчика”.
Подобным
образом ведет себя волна всякой формы,
так как на малых площадках волну любой
формы можно считать плоской, если
.
к некоторому заданному направлению.
Определим систему координат так, что
бы ось
совпадала с этим направлением, а вектор
располагался в плоскости
.
Тогда
,
,
.
(3.17)
Считая
угол
малым, можно считать
,
и
(это
параксиальное приближение). Окончательно,
уравнение наклонной волны будет
.
(3.18)
Поляризация
волн.
Возвращаясь к уравнению для плоских
волн, распространяющихся вдоль оси
,
вспомним, что оно векторное и решения
для компонент
и
(
)
имеют одинаковый вид, отличаясь лишь
постоянными интегрирования
|
(3.19) |
Таким
образом плоскую, а следовательно и любую
волну ( которая всегда представима
плоской на малой площадке ) можно считать
суммой двух взаимно перпендикулярных
колебаний со сдвигом фаз
.
Переходя к действительным переменным,
запишем зависимость таких колебаний
от времени
|
(8.5) |
Это
выражение представляет собой
параметрическое уравнение кривой,
которую описывает проекция конца вектора
на координатную плоскость
,
при этом волна распространяется вдоль
оси
с постоянной скоростью. Для получения
явного выражения для этой кривой,
необходимо из (8.5) исключить параметр
,
чего проще всего достичь следующим
образом:
или
Возводя в квадрат оба уравнения и складывая их, после преобразований получим
|
(8.6)
|
|
рис 8.1 |
|
рис 8.2 |
В общем случае график (8.6) имеет вид, показанный на рисунке. Из теории кривых второго порядка известно:
1.
Эллипс вписан в прямоугольник со
сторонами
,
которые связаны с полуосями
и
соотношением
;
(8.7)
2. Углы, характеризующие эллипс связаны зависимостями
;
(8.8)
3.
Угол
,
определяющий ориентацию эллипса связан
с
,
как
.
(8.9)
При
различных соотношениях между
,
и
возможны различные формы и ориентации
эллипса. В частности, если
,
то выражение (8.6) представляет собой
квадрат разности
,
а кривая вырождается в линию, которую
можно считать частным случаем эллипса
(рис 8.3), при этом мы имеем случай линейной
поляризации.
Если
,
то (8.6) представляет собой эллипс, с
полуосями параллельными осям координат
(рис 8.4) (каноническое уравнение эллипса),
а если
,
то эллипс превращается в окружность
(это случай круговой
поляризации).
При
получается опять линейная поляризация
(рис 8.5) .
|
|
|
рис 8.4 |
рис 8.5 |
рис 8.6 |
1. |
|
2.
|
|
3. |
|
4.
|
|
5. |
|
6.
|
|
7.
|
|
8.
|
|
Эллиптические колебания можно рассматривать как общий случай поляризации. В предельных случаях, в зависимости от амплитуды и разности фаз, эллипс вырождается в прямую линию или окружность. Зависимость формы и ориентации эллипса от фазы приведена в таблице.
Приведенные выше соотношения относятся к плоской монохроматической волне, вышедшей из точечного источника. В природе, помимо оптических квантовых генераторов, все источники света состоят из огромного числа независимых друг от друга источников, при этом каждый из них испускает свет порциями (цугами) продолжительностью порядка 10-8 сек. (об этом позже ). В этом случае поляризации все лучей смешиваются случайным образом и все поляризационные эффекты усредняются. Такой свет называется естественным или неполяризованным, у него возникает осевая симметрия вектора поляризации. Можно считать, что естественный свет представляет собой сумму двух независимых линейно поляризованных волн одинаковой интенсивности с взаимно перпендикулярными поляризациями, или двух независимых волн одинаковой интенсивности с круговой поляризацией, у которых векторы вращаются в разные стороны.
в уравнении могут быть лишь в комбинации
.
(4.1)
Это означает, что переменные удовлетворяют уравнениям сфер, концентричных центру.
Переходя
в (3.3) к переменной
,
получим
.
(4.2)
Выполняя
аналогичные преобразования с производными
по переменным
и
и
подставляя их в уравнение (3.3), получим
,
(4.3а)
.
(4.3б)
Вводя
новую функцию
соотношением
,
это уравнение можно привести к линейному
дифференциальному уравнению с постоянными
коэффициентами
,
(4.4)
решение которого хорошо известно
.
(4.5)
По
аналогии с плоской волной будем считать
и
,
т.е.
.
(4.6)
Полученное выражение есть уравнение сферической волны.

.