第三章界面光学讲义.pptx

第三章 界面光学 界面光学主要内容： 介质界面 菲涅耳公式 反射率和透射率 全反射 近场显微镜 金属光学 波在导体中的传播 金属面的反射和折射 第一节：菲涅耳公式 菲涅耳公式 光波遇到两种材料分界面时，将发生反射和折射。作为一种横波，光波具有振幅、相位、频率、传播方向和偏振结构等诸多特性。因此，全面考察光在界面反射折射时的传播规律，应包括传播方向、能流分配、相位变更和偏振态变化等几个方面的内容。 1.1 电磁场边值关系 电磁场边值关系由麦克斯韦积分方程给出，其反映了电磁场在两种介质分界面处的突变的规律。 电位移矢量法线分量连续 电场强度矢量切线分量连续 磁感应强度矢量法线分量连续 磁场强度切线分量连续 在绝缘介质界面，无自由电荷和传导电流 光是电磁波，在界面处的入射光、反射光和折射光的复振幅矢量满足边值关系。由边值关系可以推导出菲涅耳公式。 特征振动方向和局部坐标架 图显示了界面反射和折射时的电场矢量和光传播方向的空间取向，它是正确理解菲涅耳公式的一个基本图象。p和s为特征振动方向。 构成一个局部的坐标架,且： 构成一个局部的坐标架,且： 构成一个局部的坐标架,且： 为什么选择p和s为特征振动方向？ 思考题1：利用边界条件证明上面的结论。 将任意线偏振电矢量分解为p振动与s振动，这有深刻的寓意--在光波遇到界面发生反射和折射的物理过程中，p振动与s振动是两个特征振动。如果入射光的电矢量只有p振动，则反射光和折射光中也只有p振动;如果入射光)的电矢量只有s振动，则反射光和折射光中也只有s振动。换句话说巾振动与s振动之间互不交混，彼此独立，各有自己不同的传播特性。 i1 i2 菲涅耳公式 其中： 求解得： S光的反射和透射，请同学们自己推导 (H) 。 菲涅耳公式 在光频段，高频率条件下，介质的磁化机制几乎冻结，故磁导率??1，于是介质光学折射率 附加磁场边界条件，可以推得，请同学们课下推导。 菲涅耳公式成立条件： 从一般的电磁场的边值关系到最后的菲涅耳公式的推导过程中引用了若干条件，这些条件便是菲涅耳公式成立的条件，总结如下： 适用于绝缘介质，无表面自由电荷和传导电流。 适用于各向同性介质。 适用光学线性介质（弱光强），满足D=?0?E 在光频段，高频率条件下，介质的磁化机制几乎冻结，故磁导率??1，于是介质光学折射率 第二节、反射率和透射率 反射率和透射率 本节讲解菲涅耳公式的应用，包含如下内容： ?复振幅反射率和透射率， ?光强反射率和透射率， ?光功率反射率和透射率， ?布儒斯特角， ?玻片组透射光的偏振度， ?斯托克斯倒逆关系 ?复振幅反射率和透射率 由菲涅耳公式推导出复振幅反射率和透射率，它们包含了实振幅比值和相位差值 ： 例题2 导出正入射时的复振幅反射率和透射率 令i1=i2=0 代入复振幅反射率和透射率公式，得 n1=1,n2=1.5 对P光，若rp0, 正入射时表示反射光振动方向与入射方向相反，即反射光位相变化π 对S光，若rs0, 正入射时表示反射光振动方向与入射方向相反，即反射光位相变化π 所以，结果是统一的。 问题（2）：当n1n2时，tp=ts1,是否违背光能流守恒？关于这个问题我们引进光强反射率和透射率，及光功率反射率和透射率 当n1=1,n2=1.5： 当n1=1.5,n2=1： ?光强反射率和透射率 光强 I=nE02 光强反射率和透射率： 例题：一束光以60°的入射角入射，其光强反射率和透射率？（n1=1,n2=1.5) 注意：对于斜入射的光 原因是： 光强I是光功率面密度，其单位是为瓦/米2(W/m2)。若考虑光功率应该记及光强和正截面两个因素。 ?光功率反射率和透射率 光功率守恒： 定义光功率反射率和透射率： ?布儒斯特角 根据以上讲的光强反射率和入射角的关系公式可以得出光强反射率曲线： iB为布儒斯特角 + 布儒斯特角: ? 诺伦伯格反射偏振计 起偏器 检偏器 iB iB ?玻片组透射光的偏振度 利用p光和s光的光强反射率、折射率不同的特性，使用玻片组可以或得比较高偏振度的偏振光，下图为一例： 注：偏振度的定义： 反射光的偏振态 反射光的偏振态和入射光的偏振态、入射角和介质的折射率有关。 举一特例----自然光入射（光疏到光密） ?斯托克斯倒逆关系 图中显示反射光行波和折射光行波均被抵消，当然另外两列光行波(1，rr，tt’)和(rt，r’t)也不复存在。 第三节 反射光的相位变化 反射光的相位变化 一反射光的相移变化曲线 二例题--菲涅耳棱镜产生圆偏振光 三反射光的相位突变问题 四维纳实验 一反射光的相位变化曲线 相移因子( )的原始含义为： 当?=0，复振幅反射率为正实数，表明反射光振动态与局部坐