光學(xué)薄膜基礎(chǔ)知識(shí)

1、1/120 光學(xué)薄膜器件光學(xué)薄膜器件 2/120 1、光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史 人類最早發(fā)現(xiàn)的五光十色的肥皂泡； 水面上彩色斑爛的油膜； 兩玻璃片間的空氣層中常呈現(xiàn)出色彩鮮艷的光環(huán)； 所有這些現(xiàn)象早在十七世紀(jì)就引起了許多自然科學(xué)家的 注意，他們各自部提出了一些初步解釋，但均不令人滿意 ； 1801年托馬斯 楊干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及菲涅耳對(duì)此進(jìn)一步 發(fā)揚(yáng)光大以后，上述現(xiàn)象才徹底為人們弄清，物理光學(xué)的基 礎(chǔ)才從此建立起來今天我們可以說，整部薄膜光學(xué)的物理 依據(jù)就是光的干涉。 3/120 夫瑯和費(fèi)早在1827年制成了可以說是第一批減反射膜， 他將經(jīng)過精細(xì)地拋光的平面玻璃一半放在濃硫酸或濃硝 酸中腐蝕。將玻璃上的

2、酸液清洗干凈之后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)酸腐 蝕的表面所反射的光強(qiáng)遠(yuǎn)低于另一半表面的反射光強(qiáng)， 即酸經(jīng)過的那部分玻璃表面失掉了某種成分，形成薄薄 一層折射率比玻璃基底折射率低的失澤層，不過玻璃還 未遭刻蝕； “因?yàn)槠溥m時(shí)光仍和另一半表面一樣(實(shí)際上更高)，以 致在透射光中仔細(xì)檢查也不能找出它們的分界線來，” 經(jīng)過硫酸或硝酸的這種處理之后，有些牌號(hào)的玻璃表面 呈現(xiàn)美麗鮮艷的色彩；使光沿各種不同的角度入射，則 色彩婉如肥皂泡一樣變幻無窮。 4/120 1886年瑞利在英國(guó)皇家協(xié)會(huì)報(bào)告說：“失澤” 的冕玻璃平板，其反射比剛拋光更低原因是玻 璃形成了薄薄的一層膜。 1891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）

3、在它的 文章中寫到，在使用幾年后的普通物鏡的火石 玻璃透鏡上“失澤”現(xiàn)象是十分明顯的。我們 很高興的是，能夠使這種火石玻璃的擁有者放 心，通常用懷疑眼光看待的這層使玻璃“失澤” 的薄膜，卻正是觀測(cè)者的“摯友”，因?yàn)樗?加了物鏡的透射率。 5/120 事實(shí)上，泰勒發(fā)展了一種用化學(xué)侵蝕產(chǎn)生“失 澤”而制作化學(xué)減反膜的方法。 目前制備光學(xué)應(yīng)用的薄膜的主要方法是真空蒸 發(fā)法和濺射法，后者在十九世紀(jì)中葉就發(fā)現(xiàn)了， 而前者可追朔到二十世紀(jì)初。 但在1930年以前，它們不能作為實(shí)用的鍍膜方 法，因?yàn)闆]有獲得高真空的真正適用的抽氣機(jī)， 直到1930年出現(xiàn)了油擴(kuò)散泵機(jī)械泵抽氣系統(tǒng) 以后，制造實(shí)用的真空鍍膜機(jī)才

4、成為可能。 6/120 三十年代中期德國(guó)的鮑爾和美國(guó)的斯特朗先后用真空蒸 發(fā)方法制備了單層減反射膜，這種簡(jiǎn)單的減反射膜至今 在一般的光學(xué)裝置上還被大量地應(yīng)用。 折射率為1.52的玻璃敷有折射率為1.38的氟化鎂 薄膜后，單面的反射損失可從4.2%減少到1.5%左右， 例如7塊平板系統(tǒng)鍍膜后，在參考波長(zhǎng)上總的透射率可 近似地估計(jì)為： T(0.97)780.7% 未鍍膜： T=(0.92)7=55.7% 這比沒有經(jīng)過鍍膜處理的系統(tǒng)提高了約25的透射能 量 7/120 20世紀(jì)中期：主要是在薄膜設(shè)備的改進(jìn)與鍍膜 產(chǎn)品種類以及質(zhì)量的提高得到了發(fā)展，形成了 典型的減反射、高反射、濾光片等光學(xué)薄膜器 件；

5、 20世紀(jì)末21世紀(jì)初光電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展， 光學(xué)薄膜器件向性能要求和技術(shù)難度更高、應(yīng)用 范圍和知識(shí)領(lǐng)域更廣、器件種類和需求數(shù)量更多 的方向迅速發(fā)展； 隨著數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、背投電視以及光纖 通信的發(fā)展，光學(xué)薄膜產(chǎn)品需求數(shù)量巨大，特對(duì) 是對(duì)偏振分束膜、消偏振分束膜、超窄帶濾光片、 超寬帶截止濾光片等復(fù)雜膜系的要求越來越高； 8/120 干涉現(xiàn)象是薄膜光學(xué)的起源 1801年托馬斯. 楊干涉實(shí)驗(yàn)是其理論基礎(chǔ) 夫瑯和費(fèi)在1827年制成了第一批減反射膜 1873年，麥克斯韋的巨著論光和磁，進(jìn) 一步奠定了薄膜光學(xué)的理論基礎(chǔ) 1930年油擴(kuò)散泵的出現(xiàn)促進(jìn)了光學(xué)薄膜的發(fā) 展 各種制備技術(shù)是光學(xué)薄膜發(fā)

6、展的保障 幾乎所有的光學(xué)系統(tǒng)、光電系統(tǒng)和光電儀器都離不 開光學(xué)薄膜的應(yīng)用，而且到目前為止，也沒有發(fā)現(xiàn) 有別的技術(shù)可以取代光學(xué)薄膜； 9/120 薄膜光學(xué)發(fā)展的三大推動(dòng)力 20世紀(jì)60年代的發(fā)明的激光器 20世紀(jì)末光通信波分復(fù)用技術(shù)(DWDM濾光片） 今天，新型微結(jié)構(gòu)功能薄膜的出現(xiàn)給光學(xué) 與光電子薄膜技術(shù)注入新的生命力 新概念、新材料、新設(shè)計(jì)、新方法、新應(yīng)用 10/120 2、什么是薄膜光學(xué)？ 薄膜可分成兩大部分，第一部分是光學(xué)薄膜， 第二部分是光學(xué)波導(dǎo)及其相應(yīng)器件； 前者的特點(diǎn)是光橫穿過薄膜而進(jìn)行傳播；后者 的特征是光沿著平行薄膜界面的方向在膜內(nèi)傳 播， 對(duì)于光學(xué)薄膜，在一塊基片上淀積五、六十

7、層 膜并非罕見，涂鍍工藝是比較成熟的； 而對(duì)光學(xué)波導(dǎo)，則膜層層數(shù)一般不多，通常僅 用一層膜，其鍍制工藝仍處在發(fā)展初期。 本課程講的是第一種情況。 11/120 Optical coatings:一般來講薄膜敷于光學(xué)玻璃、塑 料、晶體等基底上； Optical layers:光學(xué)薄膜的一個(gè)特點(diǎn)是分層結(jié)構(gòu)； Optical thin films：通常意義的光學(xué)薄膜； Optical layers:光學(xué)薄膜的一個(gè)特點(diǎn)是分層結(jié)構(gòu)； 12/120 光在通過分層媒質(zhì)時(shí)，來自不同界面的反射光、透射光 在光的入射及反射方向產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象。 r t n厚度為波長(zhǎng)量級(jí) n能夠產(chǎn)生干涉作用 n,d r t 13/

8、120 薄膜光學(xué)的研究對(duì)象 薄膜光學(xué)是物理光學(xué)的一個(gè)重要分支 它研究的對(duì)象是膜層對(duì)光的反射、透射、 吸收以及位相特性、偏振效應(yīng)等； 簡(jiǎn)而言之，它主要研究光在分層媒質(zhì)中的 傳播規(guī)律性。 14/120 薄膜光學(xué)的實(shí)質(zhì) n光在通過分層媒質(zhì)時(shí)，來自不同界面的反射光、 透射光在光的入射及反射方向產(chǎn)生光的干涉現(xiàn) 象; n 人們正是利用這種干涉現(xiàn)象，通過改變材料及其 厚度等特性來人為的控制光的干涉，根據(jù)需要來 實(shí)現(xiàn)光能的重新分配。 15/120 光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中的作用： 提高光學(xué)效率、減少雜光。如高效減反射膜、高反射膜。 實(shí)現(xiàn)光束的調(diào)整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分 光膜就是根據(jù)不同需要進(jìn)行能量再分

9、配的光學(xué)元件。 通過波長(zhǎng)的選擇性透過提高系統(tǒng)信噪比。如窄帶及帶 通濾光片、長(zhǎng)波通、短波通濾光片。 實(shí)現(xiàn)某些特定功能。如ITO透明導(dǎo)電膜、保護(hù)膜等 16/120 3、與光學(xué)薄膜有關(guān)的產(chǎn)業(yè)？ 鍍膜眼鏡 幕墻玻璃 濾光片 ITO膜 車燈、冷光鏡、舞臺(tái)燈光濾光片 光通信領(lǐng)域：DWDM、光纖薄膜器件 紅外膜 投影顯示 17/120 4、光學(xué) 是關(guān)于電磁輻射的產(chǎn)生、傳播、 接收和顯示以及與物質(zhì)相互作用的應(yīng) 用型科學(xué)。 18/120 電磁波譜 可用統(tǒng)一的電磁理論處理各種波長(zhǎng)的電磁現(xiàn)象可用統(tǒng)一的電磁理論處理各種波長(zhǎng)的電磁現(xiàn)象 1 10-10mA 可見光：可見光：400700nm 19/120 20/120 全

10、反射全反射 光纖光纖(光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維)的基本原理的基本原理 21/120 人在水上看到人在水上看到 物體的像，比實(shí)際物體的像，比實(shí)際 物體位置偏上，感物體位置偏上，感 覺水比較淺。覺水比較淺。 22/120 23/120 有大氣，看到太陽更早 沒有大氣，將遲一些看到太陽 24/120 海市海市 蜃樓蜃樓 光經(jīng)過不均勻的大氣時(shí)發(fā)生折射，光經(jīng)過不均勻的大氣時(shí)發(fā)生折射， 形成的虛像。形成的虛像。 25/120 海市蜃樓 26/120 27/120 不經(jīng)風(fēng)雨，怎能見到彩虹！ 只聞其聲，不見其人只聞其聲，不見其人 衍射是波特有的性質(zhì)！衍射是波特有的性質(zhì)！ 28/120 遠(yuǎn)古對(duì)光學(xué)的初步研究 中國(guó)：中國(guó)

11、：墨經(jīng)墨經(jīng)光學(xué)光學(xué) 知識(shí)的最早記錄知識(shí)的最早記錄 光的直線傳播 小孔成像、平面鏡、凹 面鏡、凸球面鏡中物像關(guān) 系 公元前468376年 29/120 國(guó)外：國(guó)外： 光學(xué)光學(xué)歐幾里德歐幾里德 比比墨經(jīng)墨經(jīng) 遲遲100年年 平面鏡成像平面鏡成像 反射角反射角= =入射角入射角 畢達(dá)哥拉斯、德漠克利特、柏拉畢達(dá)哥拉斯、德漠克利特、柏拉 圖、亞里士多德圖、亞里士多德 十七世紀(jì)以前十七世紀(jì)以前羅馬帝國(guó)的滅羅馬帝國(guó)的滅 亡亡黑暗時(shí)代黑暗時(shí)代 培根培根暗示過望遠(yuǎn)鏡的可能性。暗示過望遠(yuǎn)鏡的可能性。 Euclid，公元 前330275年 30/120 十七世紀(jì)上半葉十七世紀(jì)上半葉 1608年，荷蘭人李普塞發(fā)明了

12、第一架望遠(yuǎn)鏡，年，荷蘭人李普塞發(fā)明了第一架望遠(yuǎn)鏡， 顯微鏡顯微鏡天文學(xué)、航海、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)天文學(xué)、航海、生物學(xué)、醫(yī)學(xué) 1611年，法國(guó)人開普勒年，法國(guó)人開普勒 折光學(xué)折光學(xué)， 1621年，荷蘭人斯年，荷蘭人斯涅耳涅耳， 1630年，笛卡兒年，笛卡兒 折光學(xué)折光學(xué)折射定律折射定律 1657年年，費(fèi)馬，費(fèi)馬反射和折射定律反射和折射定律 幾何光學(xué)體系基本形成幾何光學(xué)體系基本形成 幾何光學(xué)的建立 折入 31/120 1672年，牛頓三棱鏡色散試驗(yàn)，牛頓環(huán)（胡克）年，牛頓三棱鏡色散試驗(yàn)，牛頓環(huán)（胡克） 開創(chuàng)了光譜學(xué)的研究開創(chuàng)了光譜學(xué)的研究 光學(xué)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的主要手段光學(xué)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的主要手段 166

13、81668年，反射式望遠(yuǎn)鏡（牛頓），克服了折射式年，反射式望遠(yuǎn)鏡（牛頓），克服了折射式 望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)（色差）望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)（色差） 幾何光學(xué)的建立 32/120 微粒說和波動(dòng)說的爭(zhēng)論 微粒說牛頓 光是由微粒組成的。 光微粒遇到介質(zhì)會(huì)受到吸引 成功揭示了折射定律； 光在介質(zhì)中的速度比真空中 快。 不能解釋肥皂泡（薄膜） 的色條紋 波動(dòng)光學(xué)的建立 牛頓 33/120 牛頓環(huán)的發(fā)現(xiàn)牛頓環(huán)的發(fā)現(xiàn) 亮亮 暗暗 “透射性發(fā)作透射性發(fā)作”與與“反射性反射性 發(fā)作發(fā)作” 波動(dòng)光學(xué)的建立 5 , 3 , 1 6 , 4 , 2 , 0 為波動(dòng)光學(xué)提供了為波動(dòng)光學(xué)提供了 重要手段重要手段 34/120 波動(dòng)說波動(dòng)說

14、胡克、惠更斯胡克、惠更斯 1690年，惠更斯出版年，惠更斯出版論光論光 光是介質(zhì)（以太）中傳播的波。光是介質(zhì)（以太）中傳播的波。 （惠更斯原理）（惠更斯原理） 解釋了反射定律，解釋了折射解釋了反射定律，解釋了折射 定律（假定光在介質(zhì)中的傳播定律（假定光在介質(zhì)中的傳播 速度比空氣中更慢）速度比空氣中更慢） 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象 惠更斯 直到十八世紀(jì)，微粒說占統(tǒng)治地位直到十八世紀(jì)，微粒說占統(tǒng)治地位 35/120 1801年，托馬斯年，托馬斯楊楊雙縫干涉雙縫干涉 波的干涉解釋了雙縫實(shí)驗(yàn)和薄膜顏波的干涉解釋了雙縫實(shí)驗(yàn)和薄膜顏 色。色。 提出了光是橫波提出了光是橫波偏振現(xiàn)象偏振現(xiàn)象 1818年，法國(guó)人菲

15、涅爾年，法國(guó)人菲涅爾小孔衍射小孔衍射-波動(dòng)光學(xué)的締造者波動(dòng)光學(xué)的締造者 從波動(dòng)說算出了條紋分布從波動(dòng)說算出了條紋分布 充實(shí)了惠更斯原理充實(shí)了惠更斯原理 光是光是“絕對(duì)以太絕對(duì)以太”中的機(jī)械波中的機(jī)械波 托馬斯楊 36/120 1845年，法拉第年，法拉第光的振動(dòng)面在強(qiáng)磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)光的振動(dòng)面在強(qiáng)磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn) 1856年，韋伯年，韋伯電荷的電磁單位和靜電單位的比值電荷的電磁單位和靜電單位的比值=光在真空中的速光在真空中的速 度度 將光與電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來將光與電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來 波動(dòng)光學(xué)的建立 37/120 1865年，麥克斯韋年，麥克斯韋光的電磁理論光的電磁理論麥克斯韋方程麥克斯韋方程 組組 2 2

16、 22 1 0 E E ct 麥克斯韋 D t B E t D jH c 0B 1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波年，赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波 電磁光學(xué)建立電磁光學(xué)建立 真空中：真空中： 2 2 22 1 0 B B ct 00 299792458 1 c 米秒 1832年年,法拉第猜想法拉第猜想: 電磁作用可能以波的電磁作用可能以波的 形式傳播，而且光可形式傳播，而且光可 能就是一種電磁波動(dòng)能就是一種電磁波動(dòng) 38/120 量子論和相對(duì)論的建立 黑體輻射曲線 黑體輻射黑體輻射能量隨波長(zhǎng)分布能量隨波長(zhǎng)分布 1900年，普朗克的量子假說：年，普朗克的量子假說： 某種頻率光的能量是以某一最某種頻率光的能量是以某

17、一最 小單位產(chǎn)生小單位產(chǎn)生 成功解釋了黑體輻射問成功解釋了黑體輻射問 題，開始了量子光學(xué)時(shí)題，開始了量子光學(xué)時(shí) 期期 普朗克 39/120 1905年，愛因斯坦年，愛因斯坦 光在輻射與吸收中均光在輻射與吸收中均 以基本單位能量發(fā)生以基本單位能量發(fā)生 光的波粒二象性 光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng) 光電效應(yīng) Eh h p 愛因斯坦 光同時(shí)具有波動(dòng)和微粒兩種特性光同時(shí)具有波動(dòng)和微粒兩種特性 40/120 光的電磁場(chǎng)描述 41/120 42/120 43/120 44/120 45/120 46/120 47/120 48/120 49/120 光的波動(dòng)方程 50/120 51/120 5

18、2/120 53/120 54/120 55/120 56/120 57/120 振幅 頻率 初相位 光的電磁波描述表達(dá)式 振幅、相位、頻率和偏振是描述光的四個(gè)參量 0 ( , )cos()E r tEtk r 58/120 59/120 5、光波的偏振性 E v 0 H 5.1橫波與偏振： 縱波振動(dòng)方向/傳播方向，唯一的 橫波振動(dòng)方向 傳播方向，不唯一的 結(jié)論： （1 ）只有橫波才具有偏振性 （2）光是橫波也具有偏振性 60/120 二向色性 如墨鏡,立體電影,偏振顯微鏡 自自 然然 光光 線線 偏偏 振振 偏振片偏振片 演示 定義： 具有二向色性材料制成的,只允許特定振動(dòng)方向 的光通過的光

19、學(xué)器件. -只允許通過某方向的振動(dòng),而對(duì)其垂直方向 則強(qiáng)烈吸收. 天然材料：少數(shù)晶體。例電氣石,硫酸碘奎寧 應(yīng)用: 無光出射 61/120 自自 然然光 光 線線偏偏振振 偏振片偏振片 2.1 光的三種偏振態(tài) 1. 自然光： 光矢量具有各個(gè)方向的振動(dòng),且各方向振動(dòng)幾率 相等,彼此獨(dú)立(各振幅相等無固定位相關(guān)系)。 幾何表示: . . . . . . 0 2 1 III YX 定義 : I0 0 2 1 II 出 自然光通過偏振片的光強(qiáng)變化 I 0 偏振片轉(zhuǎn)動(dòng), 透射光強(qiáng)不變。 19-2 自然光和線偏振光; 馬呂斯定律 x I y I 0 I (由于振動(dòng)平面的無規(guī)則取向,使光矢量具有環(huán)繞傳播方向

20、的對(duì)稱性.) 產(chǎn)生： 舉例：陽光、白熾燈、普通光源 0/ 2 1 IIIt出射光強(qiáng) /0 2IIII 入射光強(qiáng) 62/120 -馬呂斯定律 2. 線偏振光 -光矢量只限于一個(gè)確定的振動(dòng)方向的光. 幾何表示. 線偏振光通過偏振片的光強(qiáng)變化 定義: -馬呂斯定律 A2 cosA 1 =a 0 A I0 . . 自然光自然光線偏振光線偏振光 I2 I1 1 P 2 P 1 A 2 A 2 A a 1 A 2 P1 P a a a a 2 0 2 12 2 1 CosICosII 產(chǎn)生：例：自然光經(jīng)偏振片后的光，液晶顯示的光 -入射偏振光振動(dòng)方向與p2透振方向的夾角a 63/120 馬呂斯定律馬呂斯定

21、律 討論: 1.a, 0 21 / PP 最亮 Max III 12 2. 2 3 , 2 a 21 PP 全暗 min2 0II 轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片P2, 可看到光強(qiáng)由最亮變到全暗 a aa a 2 0 2 12 2 1 CosICosII . . 自然光自然光線偏振光線偏振光 I2 I1 1 P 2 P 1 A 2 A 3. P1-起偏器起偏器- 將非偏光變成線偏光的器件將非偏光變成線偏光的器件 起偏器 檢偏器 a 2 A 1 A 2 P1 P P2-檢偏器檢偏器檢驗(yàn)光的偏振態(tài)的器件檢驗(yàn)光的偏振態(tài)的器件 （偏振片、玻璃、尼科耳等） （偏振片、玻璃、尼科耳等） . . . . . 起偏器起偏器檢偏器

22、檢偏器 自然光自然光線偏振光線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)發(fā)生變化 . . . . . 起偏器起偏器檢偏器檢偏器 自然光自然光線偏振光線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)發(fā)生變化 . . . . . 起偏器起偏器檢偏器檢偏器 自然光自然光線偏振光線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)發(fā)生變化 . . . . . 起偏器起偏器檢偏器檢偏器 自然光自然光線偏振光線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)發(fā)生變化 . . . . . 起偏器起偏器檢偏器檢偏器 自然光自然光線偏振光線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)發(fā)生變化 . . . . . 起偏器起偏器檢偏器檢偏器 自然光自然光

23、線偏振光線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)發(fā)生變化 . . . . . 起偏器起偏器檢偏器檢偏器 自然光自然光線偏振光線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)發(fā)生變化 . . . . . 起偏器起偏器檢偏器檢偏器 自然光自然光線偏振光線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)發(fā)生變化 兩偏振片的偏振化方向相互垂直 光強(qiáng)為零 72/120 3、部分偏振光（介于線偏和自然光之間的一種光） 幾何表示: 定義: 通過偏振片的光強(qiáng) E -各方向振動(dòng)都有且位相獨(dú)立，但在某個(gè)方向的振 動(dòng)占優(yōu)勢(shì), 關(guān)于傳播軸成非球?qū)ΨQ分布 . . . . mx II xMy III 產(chǎn)生：例：偏振片吸收不好,透射光為部分

24、偏振光, 折射光,反射光 . . mmM IIIa 2 cos)( 入射光強(qiáng)：I0=IM+Im aa 22 sincos mMP III 透射光強(qiáng)： 0 min II MAX 自線 ICosI 2 1 2 a 轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片P2, 可看到光強(qiáng)由最亮變到較暗（不是全暗） 73/120 透振方向相互平行 74/120 透振方向成 45 度 75/120 透振方向相互垂直 76/120 4、圓偏振光（P=1） 定義 幾何表示: 只有一個(gè) 其大小不變，方向隨t轉(zhuǎn),E端點(diǎn)軌 跡為一個(gè)圓。（分左旋、右旋） E E z Ax Ay 時(shí)間平均效果Ax，Ay完全相關(guān) 圓光的產(chǎn)生 2 0 2 / IAI p 透射光：

25、 2 / 22 /0 2AAAI 入射光： )cos(tAy y tAx x cos 0 AAA yx 2 2 0 22 Ayx 右旋2 左旋2 x y A 2-同頻、同幅、 二垂直線偏光合成 檢偏： I0 IP AA/ P A/ A 不變偏振片轉(zhuǎn)動(dòng)光強(qiáng) P I 77/120 2222 cos)( xxy AAAa aa 2222 / 2 / 2 / sincoscos2 xyxyxyP AAAAAAI干涉： aasincos /xxyy AAAA透射光： 22 0 xy AAI入射光： 1 2 2 2 2 yx A y A x 5、橢圓偏振光 定義 t時(shí)，一個(gè) ， 大小方向隨t轉(zhuǎn)， 端點(diǎn)軌跡

26、為一 個(gè)橢圓。 E E E 幾何表示: 橢圓光的產(chǎn)生 z Ax Ay 時(shí)間平均效果 Ax，Ay完全相關(guān) 2同頻、不同幅 的互相垂直的二線偏光合成 檢偏：I0 IP a P x y Ay Ax Ay/ Ax/ P轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)IP在Imax和Imin間變化。 mmM IIIa 2 cos)( 78/120 反射和折射時(shí)光的偏振 實(shí)驗(yàn)和理論表明： 反射光: S 分量強(qiáng)度較大， 折射光: P 分量強(qiáng)度較大。 以任意角度入射以任意角度入射 自然光以任意角入射時(shí), , 反射和折射光一般都為部分偏振光。 . . . . . . . . . . i n1 n2 r S . P| 入射面分量 入射面分量 分解自然光入

27、射 s p/ : 結(jié)論: : 反射和折射光的偏振性 1812年布儒斯特經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： -反射光的偏振化程度取決于入射角i， 79/120 布儒斯特定律1812-起偏角iB 0 90 riB 證: 1 2 n n tgiB 布儒斯特定律 B B B Cosi Sini n n tgi 1 2 sin)sin(cossin 2 0 221 90nininin BBB 證畢 折射光反射光 自然光 以iB入射 P分量全部折射-反射光只有S分量-線偏振光. S分量不全反射-折射光有SP分量-部分偏光. . . . . . . . . . . i 0 i 0 n1 n2 r 例： -當(dāng)光以某特定角 iB

28、 入射，則反射 光為振動(dòng)垂直于入射面的線偏振光。 iBiB. . . . . . . . . . iB. . . . . . . . 80/120 理論實(shí)驗(yàn)表明：反射所獲得的線偏光僅占入射 自然光總能量的7.4%，而約占85%的垂直分量和 全部平行分量都折射到玻璃中。 為了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆 的辦法。一束自然光以起偏角56.30入射到20層平板 玻璃上，如圖： B i 1.5 1.5 1.5 1.0 1.0 1.0 1.0 81/120 例題3：已知某材料在空氣中的布儒斯特角 i0 = 580 ， 求它的折射率？若將它放在水中（水的折射率 為 1.33），求布儒斯特角？該材

29、料對(duì)水的相對(duì) 折射率是多少？ 設(shè)該材料的折射率為 n ，空氣的折射率為1 6 . 1599. 158tan 1 tan 0 0 n i 2 放在水中，則對(duì)應(yīng)有 2 . 1 33. 1 6 . 1 tan 0 水 n n i 0 0 3 .50 i 所以： 該材料對(duì)水的相對(duì)折射率為1.2 解：1 82/120 光的雙折射 雙折射現(xiàn)象及規(guī)律 1.定義: 一束光入射各向異性介質(zhì) 晶體被折射為兩束的現(xiàn)象。 尋常光（o光） 遵從折射定律的光線 非常光（e光） 不遵從折射定律的光線 演示 （e光） （o光） 常數(shù)常數(shù) o o o n n n i i 1 2 2 1 sin sin 非非常常數(shù)數(shù) e e e

30、 n n n i i 1 2 2 1 sin sin （e光） （o光） 83/120 方解石晶體的雙折射現(xiàn)象 84/120 光光 光光 雙雙 折折 射射 方解石方解石 晶體晶體雙雙 折折 射射 方解石方解石 晶體晶體 光光 光光 光光 光 光 光 光光光 光光光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 光光 . . . . . . . o e A C D B . . . . . . e o 85/120 2. o. e 光的異同 (1) o,e 光皆是線偏振光 (2) o,e光的偏振

31、方向不同 (3) o光沿各方向傳播的速度相同 e光沿各方向傳播速度不相同 );(eOEE 特例 )(in c v n c v n c v e e 0 o （e光） （o光） Ve vo 86/120 幾個(gè)關(guān)于晶體的概念 1.光軸:當(dāng)光線沿一方向傳播時(shí)無雙 折射.稱該方向?yàn)榫w的光軸 單晶(方解石石英） 雙晶(云母硫磺） 3.主截面:光軸與自然晶面法線所組成的平面*。 推論:光軸方向-n0=ne v0=ve 78 0 1020 0Eo ;光主平面 eEe /;光主平面 2.主平面:折射光與光軸構(gòu)成的面. 三線共面三面重合 主平面主截面入射面; ;e;o;光光入射光 e0EE *特例:當(dāng)入射光線在

32、主截面內(nèi)時(shí) . . . . . . 光軸光軸 87/120 單晶中 o, e 光的波陣面 1. O光波面: 的球面半徑以光源為圓心的10tR, 2. e光波面: 正晶體 光軸光軸 vevo ve vo none * 以光軸為對(duì)稱軸,與“o”波面相切的旋轉(zhuǎn)橢球面 負(fù)晶體 光軸光軸 vo ve vevo none * 波面波面 e 波面波面 o 主折射率 88/120 5、 光的干涉 1 光的疊加原理 光傳播的獨(dú)立性：兩列波在某區(qū)域相遇后 再分開，傳播情況與未相遇時(shí)相同，互不干擾. 光的疊加性：在相遇區(qū)，任一質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng) 為二波單獨(dú)在該點(diǎn)引起的振動(dòng)的合成. 89/120 頻率相同、振動(dòng) 方向平行、相

33、位相同 或相位差恒定的兩列 光相遇時(shí)，使某些地 方振動(dòng)始終加強(qiáng)，而 使另一些地方振動(dòng)始 終減弱的現(xiàn)象，稱為 光的干涉現(xiàn)象. 2 光的干涉 90/120 波頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相差恒定 例 水波干涉 光波干涉 某些點(diǎn)振動(dòng)始終加強(qiáng)，另一些點(diǎn)振動(dòng)始終 減弱或完全抵消. ( (2) )干涉現(xiàn)象 滿足干涉條件的波稱相干波. ( (1) )干涉條件 91/120 波源振動(dòng) )cos( 111 tAy )cos( 222 tAy )2cos( 1 111 r tAy P )2cos( 2 222 r tAy P 點(diǎn)P 的兩個(gè)分振動(dòng) (3)(3)干涉現(xiàn)象的定量討論 1 s 2 s P * 1 r 2 r

34、 92/120 )cos( 21 tAyyy PPP ) 2 cos() 2 cos( ) 2 sin() 2 sin( tan 1 22 1 11 2 22 1 11 r A r A r A r A cos2 21 2 2 2 1 AAAAA 12 12 2 rr 定值 1 s 2 s P * 1 r 2 r 93/120 cos2 21 2 2 2 1 AAAAA 合振幅最大 當(dāng) .3, 2, 1, 02kk 時(shí) 21max AAA 合振幅最小21min AAA 當(dāng) 12 k 位相差 決定了合振幅的大小. . 干涉的位相差條件 討 論 94/120 位相差 ) 2 () 2 ( 1 1 2

35、 2 rr ) 12( 2 22 21 k k rr 加強(qiáng) 減弱 稱為波程差（波走過的路程之差） 21 rr 22 21 rr則 如果 即相干波源S1、S2同位相 12 95/120 將合振幅加強(qiáng)、減弱的條件轉(zhuǎn)化為干涉 的波程差條件，則有 當(dāng)時(shí)（半波長(zhǎng)偶數(shù)倍） 合振幅最大 krr 21 21max AAA 當(dāng) 時(shí)（半波長(zhǎng)奇數(shù)倍） 合振幅最小 2 ) 12( 21 krr 21min AAA 干涉的波程差條件 96/120 o o B 實(shí) 驗(yàn) 裝 置 1 s 2 s s p ddd d x d 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn) r sin 12 drrr波程差 x 1 r 2 r d d /tansindx 9

36、7/120 實(shí) 驗(yàn) 裝 置 o o B 1 s 2 s s r x 1 r 2 r d d p k d x dr 加強(qiáng) , 2 , 1 , 0k 2 ) 12( k 減弱 98/120 (2 1) 2 x rdk d 相鄰明紋（或暗紋）間距相鄰明紋（或暗紋）間距 d x d (2 1) ,k0,1,2,3. 2 d xk d 01 2 3 d xk, k? d ， ， ， 干涉相長(zhǎng)，明紋干涉相長(zhǎng)，明紋 干涉相消，暗紋干涉相消，暗紋 x rdk d 99/120 (1) (1) 一系列平行的明暗相間條紋；一系列平行的明暗相間條紋； (3)(3) 條紋特點(diǎn)： (2) (2) 條紋等間距；條紋等間距

37、； d x d (4) (4) 中間級(jí)次低；且中央條紋 為明條紋。 （5） 用復(fù)色光作實(shí)驗(yàn)時(shí)，各明暗條紋的間距并不相 同。波長(zhǎng)較短的單色光，條紋較密；波長(zhǎng)較長(zhǎng)的單色 光，條紋較稀。用白光作實(shí)驗(yàn)，則只有中央條紋為白色，其 兩側(cè)形成由紫而紅的彩色條紋。 100/120 ( (1) ) 一定時(shí)，若 變化, , 則 將怎樣變化？ dd、 x d x d 101/120 ( (2) ) 一定時(shí), ,條紋間距 與 的關(guān)系如何？x d d、 d x d 102/120 在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中：在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中： （1）如何使屏上的干涉條紋間距變寬？如何使屏上的干涉條紋間距變寬？ （2）將雙縫干涉裝置由空氣中放入水

38、中時(shí)，將雙縫干涉裝置由空氣中放入水中時(shí)， 屏上的干涉條紋有何變化屏上的干涉條紋有何變化？ （3）若若S1、S2兩條縫的寬度不等，條紋有何兩條縫的寬度不等，條紋有何 變化？變化？ 思考題思考題 d x d 103/120 例1 1 用白光作雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，能觀察到幾級(jí)清晰可辨 的彩色光譜？ 解解: : 用白光照射時(shí)，用白光照射時(shí)，0 0級(jí)明紋為白光級(jí)明紋為白光; ; k d xk d 紅紅 (1) (1) k d xk d 紫紫 當(dāng)當(dāng)k k級(jí)紅明紋位置等于級(jí)紅明紋位置等于k+1k+1級(jí)紫明紋位置時(shí)，級(jí)紫明紋位置時(shí)， 光譜恰好發(fā)生重疊。光譜恰好發(fā)生重疊。 其它級(jí)：內(nèi)紫外紅其它級(jí)：內(nèi)紫外紅 01 2

39、 3 d xk, k? d ， ， ， 104/120 將將 紅 紅 = 7600， ， 紫 紫 = 4000代入得 代入得 k=1.1 紫紅 )1( kk 只有第一級(jí)彩色光譜是清晰可辨的。只有第一級(jí)彩色光譜是清晰可辨的。 因?yàn)橐驗(yàn)?k只能取整數(shù)，所以應(yīng)取只能取整數(shù)，所以應(yīng)取 k=2 d k d 紅 (1) d k d 紫 105/120 6 光學(xué)薄膜的基本原理 光在真空中的速度 00 1c 光在介質(zhì)中的速度1u nc u1 uc 真空中的波長(zhǎng) 介質(zhì)的折射率 n 介質(zhì)中的波長(zhǎng) 106/120 )(2cos 1 101 r T t EE ) (2cos 2 202 r T t EE * 1 s

40、P 1 r * 2 s 2 rn 107/120 波程差 12 rrr 相位差 )(2) (2 12 r T tr T t * 1 s P 1 r * 2 s 2 rn n 介質(zhì)中的波長(zhǎng) 108/120 ) (2 12 rr )(2 12 rnr 物理意義：光程就是光在介 質(zhì)中通過的幾何路程按相位差相 等折合到真空中的路程. nrr * 1 s P 1 r * 2 s 2 rn ( (1) )光程光程: 介質(zhì)折射率與光的幾何路程之積介質(zhì)折射率與光的幾何路程之積 =nr 109/120 ( (2) )光程差 (兩光程之差) 12 rnr光程差 * 1 s P 1 r * 2 s 2 rn 2 相

41、位差 110/120 干涉加強(qiáng) ,2, 1 ,0,kk ,2,1 ,02,kk 干涉減弱 , 2 , 1 , 0, 2 ) 12(kk ,2, 1 ,0, )12(kk 111/120 F A B o 二 透鏡不引起附加的光程差 F A B 焦平面 112/120 P 1 n 1 n 2 n 1 M 2 M d L 三 薄膜干涉 ADCD 1 2 sin sin n ni 12 nn iD C 3 4 E 5 A 1 B 2 113/120 ADnBCABn 1232 )( dBCAB cos id sin tan 2 2 P 1 n 1 n 2 n 1 M 2 M d L iD C 3 4 E 5 A 1 B 2 12 nn iACAD sin 114/120 2 cos2 2 sin1 cos 2 2 2 232 dnn d 2 sin2 22 1 2 2r innd 反射光的光程差 r