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电磁波的几何光学极限——波动方程与费马原理

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记得以前不少人问过几何光学与波动光学的联系,但貌似都没有深入讨论就过去了,提问者的问题也没有得到回答。我学电动力学正好研究了一下这个问题,在非均匀但折射率连续可导的介质中,由波动方程可以给出一个光学方程,预言的电磁波轨迹与由费马原理给出的相同。这里贴出来给大家看看。貌似很繁杂,不知道有没有吧友有更简单的方法?




1楼2012-04-29 15:33回复
    先马克,坐等大神


    IP属地:浙江2楼2012-04-29 15:36
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      2025-08-14 11:43:47
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      Mark and I will do it myself after final...


      3楼2012-04-29 16:08
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        话说这个确实很复杂啊


        IP属地:广东4楼2012-04-29 19:48
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          几何光学和波动光学的关系类似于经典力学和量子力学的关系,在短波长(小h)情况下,物理过程被经典路径(classical path)主导,经典路径就是符合最小(平稳)作用量原理的路径。
          最后几张图最好从下往上看,我个人不喜欢王青的推导过程。在他的推导过程里,先把“轨迹“定义好了,实际上这个定义就包含了所有的物理,接下来的推导过程没有物理,也就是说,他的”定义“等价于后来得出的”光学方程“。更自然的过程应该是,把光程/相位Phi看作作用量,a定义成它的变化率dPhi/ds,从最小作用量原理(费马原理)出发得出轨迹,可以证明这条轨迹符合讲义前面的“定义”,也就是满足等相面法线的条件。
          至于为什么有最小作用量原理,学过路径积分才能理解。波动光学/物理光学中,从一点到另一点每一条光路都有可能,正如量子力学中从'in' state到'out' state每一条路径都有可能,最后观测到的期望值就是这些路径的总和/积分。每条路径的权重/概率不一样,概率是作用量的函数。当作用量的变化尺度比波长(普朗克常数)大得多时,概率被使作用量为平稳值的路径所主导,其他路径都互相干涉抵消。因此宏观上观测到的路径就是那条路径,这就是经典路径


          5楼2014-02-24 17:58
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            mark


            6楼2014-02-24 19:52
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              IP属地:重庆来自iPhone客户端8楼2014-02-25 01:03
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                和基尔霍夫做的工作差不多吧,见胡宁电动力学98页


                IP属地:广东10楼2014-02-25 13:50
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