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第一篇
薄膜光学理论基础; 薄膜光学的理论基础是光的电磁理论,其内容包括:光的干涉、偏振和吸收,平面电磁波以及平面电磁波在介质表面的反射和透射等。鉴于后续章节的需要,本章简要介绍麦克斯韦方程、描述介质特性的物质方程、平面电磁波的解形式以及光强和电磁波谱。
1.1 麦克斯韦方程;合导电体。麦克斯韦方程是描述一切宏观电磁现象的普遍规律,因而,薄膜光学中描述光传播特性的光波动方程可以由麦克斯韦方程导出。; 在无源区域,介质介电常数为 ,且介质的电导率 ,则时谐形式的麦克斯韦方程为; 在求解具体的薄膜光学问题时,麦克斯韦方程还涉及反映介质特性的关系,即电磁场量之间关系的物质方程;对具体问题进行求解。下面就薄膜光学中涉及的介质参数作简单讨论。
(1)对于各向同性线性均匀介质,介质非导电 , 取实常数,则式(1-3)简化为; (3)金属材料对光的吸收体现在电导率 在金属材料中,由于电子运动是自由的,所以在光波交变电场的作用下,通过电子运动方程的求解,可得金属材料的电导率为率 ;(1-2)可导出金属材料的介电常数为;式(1-8)和式(1-10)联立求解,得到;对于可见光波段是透明的,而半导体锗对于波长大于2μm的红外波段是透明的,等等。图1-1给出的是一些常用光学介质的透光范围。; 介质对光的吸收分为两类:一般吸收和选择吸收。一般吸收与波长无关,吸收系数很小;选择吸收与波长紧密相关,吸收系数很大。选择吸收与构成介质的电偶极子有关,反映了介质中原子结构的本质。
光学介质的折射率随波长而改变的现象称之为介质的色散。色散与吸收密切相关,根据经典振子模型,可以说明色散和吸收现象。假设单原子中有Z个电子, 个电子对应的振子固有圆频率和衰减系数分别为 和 ,则由振子的运动方程求解可得介质的相对介;电常数为;子间的相互作用,修正可得;图1-2给出的是几种玻璃的折射率随波长变化的曲线。;当 时,即当入射光频率等于或接近电偶极子的固有频率,式(1-14)中的衰减项
起作用,介质折射率为复值,属选??吸收,介质对光不透明。在此波段内,折射率随波长的增加而增加,称之为反常色散,如图1-3所示。;图1-4给出的是其他一些常用光学晶体的折射率随波长和频率的变化曲线。(属一般吸收); (5)如果介质具有平面对称的各向异性(即单轴晶体),比如液晶,那么,介电常数是具有对角张量的形式,即;(1-17);小。如果介质为非导电介质, ,则磁场的边界条件简化为; 为常数,介质电导率为 ,由麦克斯韦方程式(1-2)第一式两边取旋度,并将式(1-2)中的第二式代入,得到;式(1-22)和式(1-23)就是吸收介质中磁场和电场的齐次矢量亥姆霍兹方程,也称复矢量波动方程。 称之为复波数,其值为; 波数 也称之为空间角频率。波数 与
波速 及角频率 之间的关系为;系为
式中 为空间频率。
1.2.2 理想介质中的平面波解
理想介质中的波数 为实数,采用分离变量法求解亥姆霍兹方程(1-23),仅考虑沿正方向传播的波,得到电场强度矢量的平面波解;(1-31);式中 记电场复振幅矢量的初相位,而 和
分别为电场和磁场的复振幅矢量最大值。式(1-34)表明,在波数 为实数的情况下,电场与磁场矢量同相位,
并且波矢量 与电场 和
磁场 三者互相垂直,且
服从右手关系,即理想介
质中的平面波为横波,如
图1-5所示。
如果求解亥姆霍兹方程
(1-22),仅考虑沿正方;向传播的波,得到磁场强度矢量的平面波解为
代入麦克斯韦方程(1-2)第一式,得到电场强度矢量的平面波解为
假设;则有
为了描述方便起见,引入波阻抗 (或称本征阻抗),其定义为平面电磁波电场矢量振幅与磁场矢量振幅之比,即
式中 为折射率。 具有阻抗的量纲,在空气中, ,有; 有了波阻抗的概念后,把波矢量的表达式
代入式(1-31)和式(1-32),并利用式(1-39),得到平面电磁波电场和磁场的复振幅表达式为
式中的 为波矢量的单位矢量, 为波数,;为光波圆频率。
或者,把波矢量(1-41)式和式(1-39)代入式(1-35)和式(1-36),得到
式(1-42)和式(1-43)或者式(1-44)和式(1-45)就是折射率为 的光学介质中单频
平面光波的解形式。
1.2.3 吸收介质中的
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