大學物理光學1-5課件

1波動光學基礎

§1.1光的波動性質

*§1.2光波的函數(shù)表述

*§1.3光的偏振態(tài)

§1.4實際光波與理想光波

*§1.5光在介質界面的反射與折射第1章波動光學基礎1波動光學基礎§1.1光的波動性質

*§1.2光主要內容1.自然光在兩種電介質分界面上的反射和折射

2.菲涅耳公式3.斯托克斯倒易關系4.布儒斯特定律5.反射光與透射光的半波損失（相位突變）7.反射光與透射光的能量分配1波動光學基礎1.5光在介質界面的反射與折射6.全反射現(xiàn)象與應用主要內容1.自然光在兩種電介質分界面上的反射和折射2.菲涅

光波帶有振幅、相位、頻率、傳播方向和偏振態(tài)等諸多特性。因此，全面考察光在界面的反射和折射時的傳播規(guī)律，應包括：傳播方向、能流分配、相位變化和偏振態(tài)變化。1.5.1光在兩種電介質分界面上的反射和折射1波動光學基礎1.5.1光在介質界面的反射與折射光波帶有振幅、相位、頻率、傳播方向和偏振態(tài)等一、電磁場的邊值關系/邊界連續(xù)條件在兩種各向同性的無吸收介質界面運用Maxwell積分方程可得:即簡記為:場量切向連續(xù);感量法向連續(xù).特別注意:邊值關系中的場量和感量是同一位置、同一時刻的和矢。1波動光學基礎1.5.1光在介質界面的反射與折射一、電磁場的邊值關系/邊界連續(xù)條件在兩種各向同性的無吸收介質注意區(qū)分：二、反射和折射定律i1i2i1'n1n2圖1.2-3光在兩種介質分界面上的反射與折射設：入射、反射、折射光波的電場矢量的S-分量分別為：光矢量的s分量-垂直于入射面振動界面；入射面；振動面光矢量的p分量-平行于入射面振動r—是在界面上的任一點的位置矢量。

1波動光學基礎1.5.1光在介質界面的反射與折射注意區(qū)分：二、反射和折射定律i1i2i1'n1n2圖1.2-１．２．３．1波動光學基礎1.5.1光在介質界面的反射與折射１．２．３．1波動光學基礎1.5.1光在介質界面的反射即②反射光線、折射光線與入射光線均位于同一平面—入射面內；④入射角的正弦與折射角的正弦之比，對于給定介質及光波長，是一個常數(shù)。結論：及③反射角與入射角相等；①反射光波、折射光線與入射光波頻率相同；1波動光學基礎1.5.1光在介質界面的反射與折射即②反射光線、折射光線與入射光線均位于同一平面—入射面內；④入射自然光矢量的分解：p分量：偏振面//入射面；s分量：偏振面⊥入射面．

1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式1.5.2菲涅耳公式

將隨著時間和空間變化的E分解為相互垂直的兩個分量,意在:①將變化的矢量問題化為標量處理;②變化的矢量方向有了描述的參照系.入射自然光矢量的分解：1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式在界面使用電磁場邊值關系:振幅反射系數(shù)與振幅透射系數(shù):1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式在界面使用電磁場邊值注意:2.在與近乎反向的情況下,若與近乎同向,則與也近乎反向.1.由矢量式改為標量式時,相互正交的的兩個分量可以各自建立一個方程.注意:使用進行H、E之間的代換時，應當切記H、E之間是垂直關系。因此，1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式注意:2.在與近乎反向的情況下,若由①、②、③、④可解得振幅反射系數(shù)與振幅透射系數(shù)1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式由①、②、③、④可解得振幅反射系數(shù)與振幅透射系數(shù)1菲涅耳公式

1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式菲涅耳公式1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式引入中間變量——有效折射率則，菲涅耳公式可以簡化為：1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式引入中間變量——有效折射率則，菲涅耳公式可以簡化為：1討論：振幅反射系數(shù)與入射角的關系1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式討論：振幅反射系數(shù)與入射角的關系1波動光學基礎1.5.21波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式說明：①s分量和p分量分別獨立地按照各自的規(guī)律反射和折射，其振幅反射比和振幅透射比僅取決于光束的入射角和兩種介質的折射率，并且一般不相等——反射光和透射光的兩個正交偏振分量的振幅一般不相等。②|E1s'|>|E1p'|；|E2s|<|E2p'|。③自然光入射時，反射光和透射光均為部分偏振光。④圓偏振光入射時，反射光和透射光均為橢圓偏振光。⑤線偏振光入射時，反射光和透射光仍為線偏振光，但振動面相對于原入射光有一定偏轉。1波動光學基礎1.5.2菲涅耳公式說明：①s分量和p分量分別獨立地按照各自的規(guī)律反射和折射，定義：外反射：自然光以入射角i1由介質1進入介質2時的反射

內反射：自然光以入射角i2由介質2進入介質1時的反射

?。赫穹夥瓷浔龋簉s、rp，振幅外透射比：ts、tp

振幅內反射比：rs'、rp'，振幅內透射比：ts'、tp'

斯托克斯倒易關系：1.5.3斯托克斯倒易關系1波動光學基礎無論是s分量還是p分量，其內反射與外反射的振幅反射比大小相等，符號相反，相應的振幅透射比（ts與ts'，tp與tp'）總是符號相同。

結論：1.5.3斯托克斯倒易關系定義：外反射：自然光以入射角i1由介質1進入介質2時的反射取布儒斯特角：折射光線與反射光線方向正交時的入射角iB

布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角iB時，反射光只存在偏振面垂直于入射面的偏振分量（即s分量）圖1.3-9自然光以布儒斯特角入射時的反射和折射iBE1pE1sk1iBE1s'k1'iBk2E2pE2sn2n1若n1=1，則數(shù)學表示：1.5.4布儒斯特定律1波動光學基礎1.5.4布儒斯特定律布儒斯特角：折射光線與反射光線方向正交時的入射角iB布儒斯①

自然光以布儒斯特角入射時，反射光為振動面垂直于入射面（s分量）的線偏振光，透射光變?yōu)椴糠制窆?。說明：③線偏振光以布儒斯特角入射時，若其振動面與入射面垂直，則反射光和透射光均為振動面垂直于入射面的線偏振光；若入射光振動面與入射面平行，則反射光強度為0，即全部透射。②圓偏振光以布儒斯特角入射時，反射光仍為振動面垂直于入射面（s分量）的線偏振光，透射光變?yōu)闄E圓偏振光。1波動光學基礎1.5.4布儒斯特定律①自然光以布儒斯特角入射時，反射光為振動面垂直于入射面（s結論：①自然光自疏（快）介質向密（慢）介質入射時，反射光相對入射光存在半波損失（p

相位突變），反之不存在。②透射光在任何情況下都不存在半波損失。

1.5.5反射光與透射光的半波損失（相位突變）1波動光學基礎1.5.5反射光與透射光的半波損失結論：①自然光自疏（快）介質向密（慢）介質入射時，反射光相1.5.6全反射現(xiàn)象與應用一、反射系數(shù)及反射相移二、倏逝波1、等幅面是平行于界面的平面，等相面是垂直于界面的平面。2、入射波透入介質2約一個波長的深度，透射波沿界面?zhèn)鞑ゼs半個波長，然后返回介質1。1.5.6全反射現(xiàn)象與應用1波動光學基礎1.5.6全反射現(xiàn)象與應用一、反射系數(shù)及反射相移二、倏逝波三、近場掃描光學顯微鏡（NSOM）NSOM原理：1波動光學基礎1.5.6全反射現(xiàn)象與應用三、近場掃描光學顯微鏡（NSOM）1波動光學基礎1.5.NSOM獨特功能：1、高分辨突破衍射極限（200nm）,實現(xiàn)12nm分辨。２、樣品寬容固、液、絕緣體、金屬、半導體，無需特殊加工。３、環(huán)境寬松無需真空環(huán)境。４、照明方式多樣，倏逝波廣泛存在。1波動光學基礎1.5.6全反射現(xiàn)象與應用NSOM獨特功能：1波動光學基礎1.5.6全反射現(xiàn)象與①強度反射率和強度透射率

強度反射率：

強度透射率：問題：當i1，i2≠0時，

1.5.7反射光與透射光的能量分配1波動光學基礎1.5.7反射光與透射光的能量分配①強度反射率和強度透射率強度反射率：強度透射率：問題的起因：光在不同介質中的傳播速度不同，導致斜入射時透射光束的橫截面與入射光束不同，而強度表示單位面積上的平均能流密度，并不是總的能流，故有可能不滿足守恒定律。i2i1'i1i2i1'i1BAO'On1n2C圖1.3-15折射光束與反射光束橫截面的幾何關系1波動光學基礎1.5.7反射光與透射光的能量分配問題的起因：光在不同介質中的傳播速度不同，導致斜入射時透射光②光能流反射率和透射率

以s表示光束的橫截面積，則光束的總能流W=Is。對于反射光，s'=s，故有對于透射光，s'=(cosi2/cosi1)s，故有能量守恒定律：1波動光學基礎1.5.7反射光與透射光的能量分配②光能流反射率和透射率以s表示光束的橫截面積，則光束的總圖1.3-16強度反射和透射率i1/(o)n1=1.0n2=1.5圖1.3-17能流反射和透射率i1/(o)n1=1.0n2=1.51波動光學基礎1.5.7反射光與透射光的能量分配圖1.3-16強度反射和透射率i1/(o)n1=1.0圖1作業(yè)五:1.光矢量與入射面之間的夾角為簡稱為振動的方位角或偏振角,證明:入射線偏振光的方位角與反射線偏振光的方位角,以及折射射