盤點(diǎn)TEM、TE、TM電磁波的區(qū)別

電磁波：電磁波是由同相且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場(chǎng)，具有波粒二象性。由同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面，因此電磁波是橫波。且電場(chǎng)與磁場(chǎng)是同相位的,即電場(chǎng)最大時(shí),磁場(chǎng)也最大。 光波，通常是指電磁波譜中的可見(jiàn)光。

TEM波就是橫波,HxE與k三者相互垂直,其他方向都沒(méi)有分量

但有的在波傳播方向k上有H波或E波,這就產(chǎn)生了所謂的TE波或TM波

TEM TE TM波的區(qū)別:

在自由空間傳播的均勻平面電磁波(空間中沒(méi)有自由電荷,沒(méi)有傳導(dǎo)電流),電場(chǎng)和磁場(chǎng)都沒(méi)有和波傳播方向平行的分量,都和傳播方向垂直。此時(shí),電矢量E,磁矢量H和傳播方向k兩兩垂直。只是在這種情況下,才可以說(shuō)電磁波是橫波。 所以我們說(shuō)電磁波是橫波,這是有條件的!

沿一定途徑(比如說(shuō)波導(dǎo))傳播的電磁波為導(dǎo)行電磁波。根據(jù)麥克斯韋方程,導(dǎo)行電磁波在傳播方向上一般是有E和H分量的。

光的傳播形態(tài)分類:根據(jù)傳播方向上有無(wú)電場(chǎng)分量或磁場(chǎng)分量,可分為如下三類,任何光都可以這三種波的合成形式表示出來(lái)。

1、TEM波:在傳播方向上沒(méi)有電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量,稱為橫電磁波。若激光在諧振腔中的傳播方向?yàn)閦方向,那么激光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)將沒(méi)有z方向的分量!實(shí)際的激光模式是準(zhǔn)TEM模,即允許Ez、Hz分量的存在,但它們必須<<橫向分量,因?yàn)檩^大的Ez意味著波矢方向偏離光軸較大,容易溢出腔外,所以損耗大,難于形成振蕩。

2、TE波(即s波):在傳播方向上有磁場(chǎng)分量但無(wú)電場(chǎng)分量,稱為橫電波。在平面光波導(dǎo)(封閉腔結(jié)構(gòu))中,電磁場(chǎng)分量有Ey, Hx, Hz,傳播方向?yàn)閦方向。

3、TM波(即p波):在傳播方向上有電場(chǎng)分量而無(wú)磁場(chǎng)分量,稱為橫磁波。在平面光波導(dǎo)(封閉腔結(jié)構(gòu))中,電磁場(chǎng)分量有Hy, Ex, Ez,傳播方向?yàn)閦方向。

三者可以這樣記憶:橫電磁波就是電和磁都是橫著的,橫電波只有電場(chǎng)是橫的,橫磁波就只有磁場(chǎng)是橫的

而所謂橫,就是與電磁波傳播方向向量k是垂直的,可以想象一個(gè)單簇的光線就是一根直線的水管,在水管橫截面上的就是與水流方向垂直的,所謂橫,就是這個(gè)意思了。

微波工程、電磁場(chǎng)理論等課程中有關(guān)于TEM、TE、TM模的更為詳細(xì)的描述

這里會(huì)存在一個(gè)疑問(wèn):不是說(shuō)電場(chǎng)和磁場(chǎng)以及傳播方向都正交相互垂直嗎?那為啥會(huì)出現(xiàn)不相互垂直的TE/TM波

原因就在于,在介質(zhì)中傳播特別是折射后,產(chǎn)生了折射,原因在于介質(zhì),由于存在非正交分量,其實(shí)可能是導(dǎo)致介質(zhì)損耗的原因所在!

波的振動(dòng)方向最基本的情況可分兩種:

圖:振動(dòng)方向與波的傳播方向平行,這種波稱為縱波

圖:振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直,這種波稱為橫波

振動(dòng)具有線性疊加性,故波動(dòng)也同樣滿足線性疊加性,因此任何其他的方向關(guān)系的波動(dòng)都可以由這兩種波通過(guò)線性疊加而得到。

動(dòng)傳播的復(fù)雜程度首先取決于傳播介質(zhì)的分布情況。

如果傳播介質(zhì)是一維的,那么波的傳播方向就只能在一條線上。

如果傳播介質(zhì)是多維的,那么波將從波源出發(fā),向任意方向傳播。而波動(dòng)傳播的方向稱為波射線(簡(jiǎn)稱波線)。

由于波在介質(zhì)中的傳播是一個(gè)時(shí)間過(guò)程,所以必須考慮波在空間中分布的一些時(shí)間性的特性。

首先是相位的概念。由于波動(dòng)是一種周期現(xiàn)象,因此在某一個(gè)時(shí)刻振子處于一個(gè)周期的什么位置是非常重要的物理特征,這種位置就叫做相位。其次在波的空間分布中由相位相同的各點(diǎn)組成的一個(gè)幾何面,稱為波陣面(簡(jiǎn)稱波面)。波陣面的概念在應(yīng)用波動(dòng)圖象來(lái)分析波動(dòng)現(xiàn)象時(shí)是非常關(guān)鍵的。

波面的形狀和波源與介質(zhì)的分布性質(zhì)密切相關(guān)。最簡(jiǎn)單的兩種情形是:在各向同性的介質(zhì)中,從點(diǎn)波源發(fā)出的波的波陣面是一簇同心球面,稱為球面波;從平面狀波源發(fā)出的波的波陣面是一簇平行平面,稱為平面波。

下圖是平面橫波(平面電磁波)的波陣面示意圖(其中藍(lán)線是磁場(chǎng)的波動(dòng),紅線是電場(chǎng)波動(dòng))介質(zhì)中的平面機(jī)械橫波波陣面也與此類似:

光波電磁波的散射和折射