盘点TEM、TE、TM电磁波的区别

电磁波：电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，因此电磁波是横波。且电场与磁场是同相位的,即电场最大时,磁场也最大。 光波，通常是指电磁波谱中的可见光。

TEM波就是横波,HxE与k三者相互垂直,其他方向都没有分量

但有的在波传播方向k上有H波或E波,这就产生了所谓的TE波或TM波

TEM TE TM波的区别:

在自由空间传播的均匀平面电磁波(空间中没有自由电荷,没有传导电流),电场和磁场都没有和波传播方向平行的分量,都和传播方向垂直。此时,电矢量E,磁矢量H和传播方向k两两垂直。只是在这种情况下,才可以说电磁波是横波。 所以我们说电磁波是横波,这是有条件的!

沿一定途径(比如说波导)传播的电磁波为导行电磁波。根据麦克斯韦方程,导行电磁波在传播方向上一般是有E和H分量的。

光的传播形态分类:根据传播方向上有无电场分量或磁场分量,可分为如下三类,任何光都可以这三种波的合成形式表示出来。

1、TEM波:在传播方向上没有电场和磁场分量,称为横电磁波。若激光在谐振腔中的传播方向为z方向,那么激光的电场和磁场将没有z方向的分量!实际的激光模式是准TEM模,即允许Ez、Hz分量的存在,但它们必须<<横向分量,因为较大的Ez意味着波矢方向偏离光轴较大,容易溢出腔外,所以损耗大,难于形成振荡。

2、TE波(即s波):在传播方向上有磁场分量但无电场分量,称为横电波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Ey, Hx, Hz,传播方向为z方向。

3、TM波(即p波):在传播方向上有电场分量而无磁场分量,称为横磁波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Hy, Ex, Ez,传播方向为z方向。

三者可以这样记忆:横电磁波就是电和磁都是横着的,横电波只有电场是横的,横磁波就只有磁场是横的

而所谓横,就是与电磁波传播方向向量k是垂直的,可以想象一个单簇的光线就是一根直线的水管,在水管横截面上的就是与水流方向垂直的,所谓横,就是这个意思了。

微波工程、电磁场理论等课程中有关于TEM、TE、TM模的更为详细的描述

这里会存在一个疑问:不是说电场和磁场以及传播方向都正交相互垂直吗?那为啥会出现不相互垂直的TE/TM波

原因就在于,在介质中传播特别是折射后,产生了折射,原因在于介质,由于存在非正交分量,其实可能是导致介质损耗的原因所在!

波的振动方向最基本的情况可分两种:

图:振动方向与波的传播方向平行,这种波称为纵波

图:振动方向与波的传播方向垂直,这种波称为横波

振动具有线性叠加性,故波动也同样满足线性叠加性,因此任何其他的方向关系的波动都可以由这两种波通过线性叠加而得到。

动传播的复杂程度首先取决于传播介质的分布情况。

如果传播介质是一维的,那么波的传播方向就只能在一条线上。

如果传播介质是多维的,那么波将从波源出发,向任意方向传播。而波动传播的方向称为波射线(简称波线)。

由于波在介质中的传播是一个时间过程,所以必须考虑波在空间中分布的一些时间性的特性。

首先是相位的概念。由于波动是一种周期现象,因此在某一个时刻振子处于一个周期的什么位置是非常重要的物理特征,这种位置就叫做相位。其次在波的空间分布中由相位相同的各点组成的一个几何面,称为波阵面(简称波面)。波阵面的概念在应用波动图象来分析波动现象时是非常关键的。

波面的形状和波源与介质的分布性质密切相关。最简单的两种情形是:在各向同性的介质中,从点波源发出的波的波阵面是一簇同心球面,称为球面波;从平面状波源发出的波的波阵面是一簇平行平面,称为平面波。

下图是平面横波(平面电磁波)的波阵面示意图(其中蓝线是磁场的波动,红线是电场波动)介质中的平面机械横波波阵面也与此类似:

光波电磁波的散射和折射