Математическое описание электромагнитных волн

Распространение электромагнитного поля в пространстве - это волновой процесс, описание которого можно получить из уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла описывают свойства электромагнитных волн в наиболее общем случае, но их непосредственное использование не всегда удобно. Поэтому для случая линейных и однородных сред можно получить более простые волновые уравнения, из которых следуют все законы геометрической оптики.

В оптике часто рассматривают изменение электрического и магнитного полей независимо друг от друга, и тогда векторный характер поля не является существенным, а электромагнитное поле можно рассматривать и описывать как скалярное (подобно звуковому полю). Скалярная теория значительно проще векторной, и вместе с тем дает возможность достаточно глубоко анализировать распространение световых пучков и процессы образования изображения в оптических системах. В геометрической оптике скалярная теория широко используется именно благодаря тому, что электрическое и магнитное поля в этом случае могут быть описаны независимо друг от друга, а волновые уравнения одинаковы для векторного и скалярного полей.

Рассмотрим вывод волновых уравнений непосредственно из уравнений Максвелла. Возьмем уравнение для ротора электрического поля, определяемого через производную по времени от магнитной индукции:

Векторно домножим это уравнение на :

Учитывая, что (1.5), получим:

Так как дивергенция электрического поля в диэлектрической среде , то в однородной среде , что следует из уравнений Максвелла (4, 5). Тогда получим волновое уравнение для электрической составляющей поля:

(1.3.1)

или

Поскольку , одно векторное уравнение распадается на три скалярных уравнения:

      (1.3.2)

Рассуждая аналогичным образом, можно получить волновое уравнение для магнитной составляющей поля:

(1.3.3)

Поскольку , то это векторное уравнение также распадается на три скалярных уравнения:

      (1.3.4)

Из уравнений Максвелла следует, что каждая из составляющих , , вектора подчиняется абсолютно одному и тому же по форме скалярному уравнению. Поэтому, если требуется знать изменение только какой-нибудь одной из составляющих вектора , мы можем рассматривать векторное поле как скалярное. Перед тем, как окончательно перейти к скалярной теории, следует заметить, что составляющие вектора не являются независимыми функциями, что вытекает из условия . Поэтому, хотя скалярные волновые уравнения являются следствием уравнений Максвелла, обратно перейти от них к уравнениям Максвелла нельзя.

Пусть скалярная величина - это любая из составляющих электрического вектора: ( , или ). Иными словами, это возмущение поля в какой-то точке пространства в какой-то момент времени . Тогда можно записать волновое уравнение в общем виде:

(1.3.5)

где - вторая производная возмущения по пространственным координатам,

- вторая производная возмущения по времени,

Смысл этого уравнения заключается в том, что волна образуется тогда, когда у некоторого возмущения вторая производная по пространственным координатам пропорциональна второй производной по времени.

Можно показать, что скорость распространения волны для диэлектриков связана с электрической и магнитной постоянной среды следующим образом:

      (1.3.6)

следовательно, скорость распространения волны в пространстве определяется так:

      (1.3.7)

Тогда общий вид волнового уравнения можно записать следующим образом:

      (1.3.8)

Волновое уравнение для одной оси координат:

      (1.3.9)

Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления данной среды по отношению к вакууму (index of refraction):

(1.3.10)

Монохроматическое поле - это поле, зависящее от времени по гармоническому закону (рис.1.3.1):

(1.3.11)

где - амплитуда возмущения (функция пространственных координат),
- циклическая частота изменения поля во времени,
- фаза поля (функция пространственных координат).

Рис.1.3.1. Изменение монохроматического поля во времени.

Монохроматическое поле также характеризуется периодом колебаний или частотой :

,       (1.3.12)

причем циклическую частоту можно выразить через частоту :

,       (1.3.13)

Гармоническую волну характеризуют также пространственный период - длина волны :

      (1.3.14)

и волновое число:

      (1.3.15)

Излучение с определенной длиной волны обладает соответствующим цветом (рис.1.3.2).

Рис.1.3.2. Спектр видимого излучения.

Постоянными характеристиками, не зависящими от показателя преломления, для монохроматического поля являются: частота , циклическая частота и период колебаний . Длина волны и волновое число меняются в зависимости от показателя преломления, так как меняется скорость распространения света в среде . Итак, частота в среде всегда сохраняется, а длина волны изменяется. Длину волны и волновое число в некоторой среде с показателем преломления можно определить так:

      (1.3.16)

где - длина волны в вакууме, - волновое число в вакууме.

Иногда при описании монохроматического поля вместо фазы используют другие понятия. Введем в выражение для волнового возмущения волновое число вместо циклической частоты :

      (1.3.17)

Тогда волновое возмущение запишется так:

(1.3.18)

где - это эйконал поля:

,

(1.3.19)

Слово "эйконал" происходит от греческого слова (эйкон - образ). В русском языке этому соответствует слово "икона".

В отличие от фазы поля эйконал более удобная величина для оценки изменения фазы от луча к лучу, так как непосредственно связан с геометрической длиной хода луча.

Оптическая длина луча (optical path difference, OPD) - это произведение показателя преломления на геометрическую длину пути .

Приращение эйконала равно оптической длине луча:

(1.3.20)

Если фаза изменяется на , то эйконал изменяется на : ;
если фаза изменяется на , то эйконал изменяется на : ;
если фаза изменяется на , то эйконал изменяется на : .

Эйконал имеет огромное значение в теории оптического изображения, так как понятие эйконала позволяет, во-первых, описать весь процесс образования изображения с позиций волновой теории света, а во-вторых, наиболее полно проанализировать искажения передачи изображения оптическими приборами. Теория эйконала, разработанная в XIX веке Петцвалем, Зейделем и Шварцшильдом, явилась важным фундаментальным достижением геометрической оптики, благодаря которому стало возможным создание оптических систем высокого качества.

Гармонические колебания удобно описывать через комплексную амплитуду. Для этого применяют экспоненциальное представление комплексных чисел:

      (1.3.21)

где - действительная часть, а - мнимая часть комплексной функции.

Представим, что монохроматическое поле (1.3.18) - это действительная часть от некоторой функции:

      (1.3.22)

где составляющая зависит только от пространственных координат, а составляющая зависит только от времени.

Пусть - комплексная амплитуда поля, то есть функция только пространственных координат:

(1.3.23)

где - вещественная амплитуда (или просто амплитуда).

Если вещественная амплитуда волны не зависит от пространственных координат, то такая волна называется однородной волной.

Тогда эйконал поля выразим так:

(1.3.24)

где - фаза поля.

Удобство использования такой записи заключается в простоте сложения полей. Допустим, имеются два поля: , и . При сложении полей их комплексные амплитуды складываются, а временной экспоненциальный множитель можно вынести за скобки и не учитывать:

      (1.3.25)

Таким образом, можно считать, что комплексная амплитуда полностью описывает монохроматическое поле, так как она объединяет амплитуду и эйконал.

Если поле монохроматическое, то дифференцирование по времени, сводится к умножению скалярной амплитуды на мнимый множитель . Таким образом, если подставить в волновое уравнение (1.3.18) описание монохроматического поля (1.3.23), то после преобразований мы получим волновое уравнение для монохроматического поля, в которое будет входить только комплексная амплитуда (уравнение Гельмгольца).

Уравнение Гельмгольца (Helmgolz equation):

(1.3.26)