光学课程讲座

1、光学课程讲座近场光学显微镜液晶显示器近场光学显微镜电磁波的边界行为 光波在界面处的行为 反射和折射、全内反射平面光波的反射与折射 入射波、反射波、折射波都是平面波11()110ite k ree22()220ite k ree11()110ite k reexz1n2n1k1k2k1i1i2i1e1e2e2pe1pe1pe1se1se2se入射波反射波折射波每一列波都可以进行正交分解，分解为平行于入射面的p分量和垂直于入射面的s分量p、s、k构成右手坐标系11()110ite k rbb11()110ite k rbb22()220ite k rbb电磁场的边界条件 在介质的分界面两侧电磁场各

2、物理量必须满足的条件，由麦克斯韦方程得到d() dclsdhljstddlsbelst ddvsvdsvd0sbs 12()sn dd12()0nee12()0n bb12()snhhj电磁场法向的边界条件电磁场切向的边界条件光波反射折射的电磁理论 边界处没有自由电荷与传导电流 光波电场分量、磁场分量、波矢间的关系 光在不同介质中的速度12()0ndd12nndd1122nnee12()0nbb12nnbb1122nnhh12()0nee12ttee12()0nhh12tthh1 bkecvnvk2222cvkn1111cvkn反射定律与折射定律 根据边界条件，可以得到12()0nee12()

3、0nhh111122()()()101020itititzzzeee k rk rk reeeeee111122()()()101020112111itititzzzeee k rk rk rebebeb112xxxkkk120yykk 1122211nkknxz1n2n1k1k2k1i1i2i 于是有 进一步可得到反射定律折射定律11zzkk 折射波（透射波）2222222zxykkkk2211nkkn11()110ite k ree22()220ite k ree入射波折射波2222221221102111sinsinzkknniknnin211sinnni211sinnni2222011

4、22sinzzkikninik为实数为虚数xz1n2n1k1k2k1i1i2i222221111()sinnkkin2zik发生全反射时的光波分析 发生全反射的条件1122sinsin90ninn 在z方向迅速衰减沿x方向传播发生全反射时，折射波被称作衰逝波衰逝波或隐失波隐失波 这时222201122sinzzkikninik为虚数 折射波1222()()22020ixzi k xtitkzeee k reee衰逝波的穿透深度02222222011211211sin2sinzdkkninnin在介质中的穿透深度为波长的量级12()220ixzi k xtkzeeee衰逝波的传播特性 在x方向传

5、播，在z方向没有能量损耗 在x方向的波长与传播的速度212()220 xzi kxtkzeeee2111sinxxkkki1xk222xk与介质1中的波速和入射角有关22xxvk11sinki11sinvi112sinki11sini光学隧道效应 如果在折射波的穿透深度范围之内，出现另一种光密介质光密介质，则光波又可以在这种介质中继续传播，不再衰减 这种情况被称作光学隧道效应光学隧道效应goos-haenchen displacement 入射角大于全反射临界角时，细光束的反射点相对于入射点移动 这是衰逝波特性的一个实验例证光波导 利用衰逝波的特性，可以将入射光波引入很薄的介质膜（光波导）中传

6、播，具有高的耦合效率 这是光波导的关键技术之一扫描近场光学显微镜 snom在样品附近存在隐失场。光纤探头接近样品表面，发生隐失波的耦合。通过一个(x,y)扫描和纵向z测控系统，保证(x,y)扫描过程中针尖和样品的距离不变。隐失波在纵向为指数衰减，反应敏感，从控制信号可以获知全反射面上样品的型貌snom的特点 不是成像过程，没有光学孔径 因而不受分辨率衍射极限的限制 是逐点探测，具有高的分辨率，10nm 分辨本领取决于针尖尺寸、扫描移位精度和纵向控制精度，与光学结构无关 可以在空气中进行 可进行多种测量：光吸收、发射、反射等等多种测量机制与其它显微测量手段的比较液晶显示器液晶 1888年，奥地利

7、植物生理学家friedrich reinitzer (1858-1927)合成,具有两个熔点 液晶的相 向列相（nematic）、近晶相（smectic）、 胆甾相（cholesteric）、 碟型（discotic） 热致液晶、（thermotropic lc）、 重现性液晶（recentrant lc） 向列相 nematic phase 近晶相 smectic胆甾相 cholesteric液晶的光学特性向列相液晶液晶对光的偏振态的影响 液晶分子无序排列时，例如、无序向列相液晶，可以改变光的偏振态，可以使线偏光振动面旋转 当液晶分子有序排列时，对光的偏振态影响程度减小 液晶分子可以沿着电场

8、方向有序排列 因而通过控制施加在液晶上的电场可以改变其光学性质 用作平面显示器反射型无序向列相液晶显示器竖直向偏振片水平向偏振片玻璃衬底透明电极（ito)字符无序向列相液晶玻璃衬底透明电极（ito)反光板与底层偏振片正交与底层偏振片平行将显示器表面偏振片取出透射式彩色液晶显示器一个单色显示单元彩色显示器的像素olpc xo-1 显示器 (left) 与典型 lcd显示器比较. 11 mm内像素lcd addresses groups of 3 locations as pixels. the xo-1 display addresses each location as a separate pixel. 有关名词 被动矩阵寻址passive-matrix addressed lcds super-twisted nematic (stn) double-layer stn (dstn) color-stn (cstn) 响应慢，色彩亮度反