物理光学15省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

1波动光学基础

§1.1光波动性质

*§1.2光波函数表述

*§1.3光偏振态

§1.4实际光波与理想光波

*§1.5光在介质界面反射与折射第1章波动光学基础第1页主要内容1.自然光在两种电介质分界面上反射和折射

2.菲涅耳公式3.斯托克斯倒易关系4.布儒斯特定律5.反射光与透射光半波损失（相位突变）7.反射光与透射光能量分配1波动光学基础1.5光在介质界面反射与折射6.全反射现象与应用第2页

光波含有振幅、相位、频率、传输方向和偏振态等很多特征。所以，全方面考查光在界面反射和折射时传输规律，也应包含：传输方向、能流分配、相位改变和偏振态改变。1.5.1光在两种电介质分界面上反射和折射1波动光学基础1.5.1光在介质界面反射与折射第3页一、电磁场边值关系/边界连续条件在两种各向同性无吸收介质界面利用Maxwell积分方程可得:即简记为:场量切向连续;感量法向连续.尤其注意:边值关系中场量和感量是同一位置、同一时刻和矢。1波动光学基础1.5.1光在介质界面反射与折射第4页注意区分：二、反射和折射定律设（如图）：入射、反射、折射光波电场矢量S-分量分别为：光矢量s分量-垂直于入射面振动界面；入射面；振动面.光矢量p分量-平行于入射面振动r—是在界面上任一点位置矢量。1波动光学基础1.5.1光在介质界面反射与折射第5页１．２．３．1波动光学基础1.5.1光在介质界面反射与折射由可得

第6页即②反射光线、折射光线与入射光线均位于同一平面—入射面内；④入射角正弦与折射角正弦之比，对于给定介质及光波长，是一个常数。结论：及③反射角与入射角相等；①反射光波、折射光波与入射光波频率相同；1波动光学基础1.5.1光在介质界面反射与折射第7页入射自然光矢量E分解：p分量：偏振面//入射面；s分量：偏振面⊥入射面．

1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式1.5.2菲涅耳公式

将伴随时间和空间改变E分解为相互垂直两个分量,意在:①将改变矢量问题化为标量处理;②改变矢量方向有了描述参考系.第8页1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式在界面使用电磁场边值关系:复振幅反射系数与透射系数:第9页注意:2.在与近乎反向情况下,若与近乎同向,则与也近乎反向.1.由矢量式改为标量式时,相互正交两个分量能够各自建立一个方程.注意:使用进行H、E之间代换时，应该切记H、E之间是垂直关系。所以，1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式第10页由①、②、③、④可解得复振幅反射系数与透射系数1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式第11页菲涅耳公式

1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式第12页引入中间变量——有效折射率则，菲涅耳公式能够简化为：1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式第13页讨论：振幅反射系数与入射角关系1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式第14页1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式第15页说明：①s分量和p分量分别独立地按照各自规律反射和折射，其振幅反射比和振幅透射比仅取决于光束入射角和两种介质折射率，而且普通不相等——反射光和透射光两个正交偏振分量振幅普通不相等。②|E1s'|>|E1p'|；|E2s|<|E2p'|。③自然光入射时，反射光和透射光均为部分偏振光。④圆偏振光入射时，反射光和透射光均为椭圆偏振光。⑤线偏振光入射时，反射光和透射光仍为线偏振光，但振动面相对于原入射光有一定偏转。1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式第16页定义：外反射：自然光以入射角i1由介质1进入介质2时反射

内反射：自然光以入射角i2由介质2进入介质1时反射

取：振幅外反射比：rs、rp，振幅外透射比：ts、tp

振幅内反射比：rs'、rp'，振幅内透射比：ts'、tp'

斯托克斯倒易关系：1.5.3斯托克斯倒易关系1波动光学基础不论是s分量还是p分量，其内反射与外反射振幅反射比大小相等，符号相反，对应振幅透射比（ts与ts'，tp与tp'）总是符号相同。

结论：1.5.3斯托克斯倒易关系第17页布儒斯特角：折射光线与反射光线方向正交时入射角iB

布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角iB时，反射光只存在偏振面垂直于入射面偏振分量（即s分量）图1.3-9自然光以布儒斯特角入射时反射和折射iBE1pE1sk1iBE1s'k1'iBk2E2pE2sn2n1若n1=1，则数学表示：1.5.4布儒斯特定律1波动光学基础1.5.4布儒斯特定律第18页①

自然光以布儒斯特角入射时，反射光为振动面垂直于入射面（s分量）线偏振光，透射光变为部分偏振光。说明：③线偏振光以布儒斯特角入射时，若其振动面与入射面垂直，则反射光和透射光均为振动面垂直于入射面线偏振光；若入射光振动面与入射面平行，则反射光强度为0，即全部透射.②圆偏振光以布儒斯特角入射时，反射光仍为振动面垂直于入射面（s分量）线偏振光，透射光变为椭圆偏振光。1波动光学基础1.5.4布儒斯特定律第19页结论：①自然光自疏（快）介质向密（慢）介质入射时，反射光相对入射光存在半波损失（p

相位突变），反之不存在。②透射光在任何情况下都不存在半波损失。

1.5.5反射光与透射光半波损失（相位突变）1波动光学基础1.5.5反射光与透射光半波损失第20页1.5.6全反射现象与应用一、反射系数及反射相移二、倏逝波1、等幅面是平行于界面平面，等相面是垂直于界面平面。2、入射波透入介质2约一个波长深度，透射波沿界面传输约半个波长，然后返回介质1。1.5.6全反射现象与应用1波动光学基础第21页三、近场扫描光学显微镜（NSOM）NSOM原理：1波动光学基础1.5.6全反射现象与应用第22页NSOM独特功效：1、高分辨突破衍射极限（200nm）,实现12nm分辨。２、样品宽容固、液、绝缘体、金属、半导体，无需特殊加工。３、环境宽松无需真空环境。４、照明方式多样，倏逝波广泛存在。1波动光学基础1.5.6全反射现象与应用第23页四.其它应用1.光纤2.可调谐中性分束棱镜3.偏振态转换----Fresnelprism4.应用光学中各式棱镜1波动光学基础1.5.6全反射现象与应用第24页①强度反射率和强度透射率

强度反射率：

强度透射率：问题：当i1，i2≠0时，

1.5.7反射光与透射光能量分配1波动光学基础1.5.7反射光与透射光能量分配第25页问题起因：光在不一样介质中传输速度不一样，造成斜入射时透射光束横截面与入射光束不一样，而强度表示单位面积上平均能流密度，并不是总能流，故有可能不满足守恒定律。i2i1'i1i2i1'i1BAO'On1n2C图1.3-15折射光束与反射光束横截面几何关系1波动光学基础1.5.7反射光与透射光能量分配第26页②光能流反射率和透射率

以s表示光束横截面积，则光束总能流W=Is。对于反射光，s'=s，故有对于透射光，s'=(cosi2/cosi1)s，故有能量守恒定律：1波动光学基础1.5.7反射光与透射光能量分配第27页1波动光学基础1.5.7反射光与透射光能量分配第28页1.5.８光在吸收介质界面上反射和折射1.5.９光吸收、色散和散射１、吸收介质内1波动光学基础1.5光在介质界面反射与折射第29页２、色散均匀介质：透明波段~正常色散，有吸收波段~反常色散。３、不均匀介质中光散射1波动光学基础1.5光在介质界面反射与折射第30页作业四：1波动光学基础1.4实际光波与理想光波P48.1.11,1.12,1.15第31页随向坐标系中菲涅耳公式

1、随向坐标系

光传输方向为Z轴正向，S方向垂直入射面向外为正且等效为Y和Y’轴，P方向平行于入射面，且正向与X和X’轴相同。2、随向坐标系中菲涅耳公式

第32页3、两个不一样坐标系中菲涅耳公式

关系

随向坐标系中固定了Y、Y’轴及ES方向，明确了Z轴方向随光传输方向，EP方向按右手定则确定。前面推导中，是以入射光波波矢量和电场矢量方向为固定参考坐标，菲涅耳公式得到结果表示反射、折射光波相对入射光波改变。

随向坐标系中波矢量方向永远是正；而固定坐标系中入射光波波矢方向为正，反射光波波矢方向为负。随向坐标系中光矢量方向是相对随向坐标系确定正负；而固定坐标系中入射光波光矢量方向永远是正，反射光波光矢量方向正负是相对入射光。随向坐标系与固定坐标系之间能够经过以ES方向为轴坐标旋转进行坐标转换。相邻随向坐标系之间也能够经过以ES方向为轴坐标旋转进行坐标转换。第33页振幅反射系数与入射角关系4、两个不一样坐标系中菲涅耳公式

结论对比固定坐标系中随向坐标系中第34页振幅反射系数与入射角