什麼叫TEM、TE、TM電磁波?有啥區別-史上最明白的解釋

TEM波就是橫波,HxE與k三者相互垂直,其他方向都沒有分量

但有的在波傳播方向k上有H波或E波,這就產生了所謂的TE波或TM波 

在自由空間傳播的均勻平面電磁波(空間中沒有自由電荷,沒有傳導電流),電場和磁場都沒有和波傳播方向平行的分量,都和傳播方向垂直。此時,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,才可以說電磁波是橫波。 所以我們說電磁波是橫波,這是有條件的!

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

光的傳播形態分類:根據傳播方向上有無電場分量或磁場分量,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。 

1、TEM波:在傳播方向上沒有電場和磁場分量,稱為橫電磁波。若雷射在諧振腔中的傳播方向為z方向,那麼雷射的電場和磁場將沒有z方向的分量!實際的雷射模式是準TEM模,即允許Ez、Hz分量的存在,但它們必須<<橫向分量,因為較大的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,難於形成振蕩。

2、TE波(即s波):在傳播方向上有磁場分量但無電場分量,稱為橫電波。在平面光波導(封閉腔結構)中,電磁場分量有Ey, Hx, Hz,傳播方向為z方向。 

3、TM波(即p波):在傳播方向上有電場分量而無磁場分量,稱為橫磁波。在平面光波導(封閉腔結構)中,電磁場分量有Hy, Ex, Ez,傳播方向為z方向。

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

而所謂橫,就是與電磁波傳播方向向量k是垂直的,可以想像一個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,就是這個意思了。 

微波工程、電磁場理論等課程中有關於TEM、TE、TM模的更為詳細的描述 

這裡會存在一個疑問:不是說電場和磁場以及傳播方向都正交相互垂直嗎?那為啥會出現不相互垂直的TE/TM波

原因就在於,在介質中傳播特別是折射後,產生了折射,原因在於介質,由於存在非正交分量,其實可能是導致介質損耗的原因所在! 

振動具有線性疊加性,故波動也同樣滿足線性疊加性,因此任何其他的方向關係的波動都可以由這兩種波通過線性疊加而得到。

如果傳播介質是一維的,那麼波的傳播方向就只能在一條線上。

如果傳播介質是多維的,那麼波將從波源出發,向任意方向傳播。而波動傳播的方向稱為波射線(簡稱波線)。

由于波在介質中的傳播是一個時間過程,所以必須考慮波在空間中分布的一些時間性的特性。

首先是相位的概念。由于波動是一種周期現象,因此在某一個時刻振子處於一個周期的什麼位置是非常重要的物理特徵,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組成的一個幾何面,稱為波陣面(簡稱波面)。波陣面的概念在應用波動圖象來分析波動現象時是非常關鍵的。

波面的形狀和波源與介質的分布性質密切相關。最簡單的兩種情形是:在各向同性的介質中,從點波源發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(其中藍線是磁場的波動,紅線是電場波動)介質中的平面機械橫波波陣面也與此類似:  

  光波電磁波的散射和折射