最新大学物理光学15ppt课件.ppt

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1、主要内容主要内容1.自然光在两种电介质分界面上的反射和折射自然光在两种电介质分界面上的反射和折射 2.菲涅耳公式菲涅耳公式3.斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系4.布儒斯特定律布儒斯特定律5. 反射光与透射光的半波损失（相位突变）反射光与透射光的半波损失（相位突变）7. 反射光与透射光的能量分配反射光与透射光的能量分配1 波动光学基础波动光学基础1.5 光在介质界面的反射与折射光在介质界面的反射与折射6. 全反射现象与应用全反射现象与应用1 波动光学基础波动光学基础1.5.2 菲涅耳公式菲涅耳公式在界面使用电磁场边值关系在界面使用电磁场边值关系:.1121111p2pssppssEEtEEtEE

2、rEErpsps ， 0211 EEEn 0211 HHHn振幅反射系数与振幅透射系数振幅反射系数与振幅透射系数:1111cosiEEEnps 1111cosiEEEnps 2222cosiEEEnps 1111cosiHHHnps 2222cosiHHHnps 1111cosiHHHnps 222111111coscoscosiHHiHHiHHpspsps 222111111coscoscosiEEiEEiEEpspsps 注意注意:2.在在 与与 近乎反向的情况下近乎反向的情况下, 若若 与与 近乎同向近乎同向, 则则 与与 也近乎反向也近乎反向.1k 1k1E1E 1H1H 1.由矢量式

3、改为标量式时由矢量式改为标量式时, 相互正交的的两个分量可以各自建立一个方程相互正交的的两个分量可以各自建立一个方程.221111211coscoscosiEiEiEEEEpppsss 221111211coscoscosiHiHiHHHHpppsss 注意注意: 使用使用 进行进行 H、E 之间的代换时，应当切记之间的代换时，应当切记H、E 之间是垂直关系。因此，之间是垂直关系。因此，Hn00 EkpsEnH00 spEnH00 1 波动光学基础波动光学基础1.5.2 菲涅耳公式菲涅耳公式221111211coscoscosiEiEiEEEEpppsss 222111111221111cos

4、coscosiEniEniEnEnEnEnsssppp 由由 、 、 可解得振幅反射系数与振幅透射系数可解得振幅反射系数与振幅透射系数1 波动光学基础波动光学基础1.5.2 菲涅耳公式菲涅耳公式 21212121121112121221111122112211212211121122211221111cossinsincos2coscoscos2sinsincos2coscoscos2tantancoscoscoscossinsincoscoscoscosiiiiiiininintEEiiiiininintEEiiiiininininrEEiiiiininininrEE pp2psssppps

5、ss菲涅耳公式菲涅耳公式 1 波动光学基础波动光学基础1.5.2 菲涅耳公式菲涅耳公式 引入中间变量引入中间变量 有效折射率有效折射率ininpscoscos 则，菲涅耳公式可以简化为：则，菲涅耳公式可以简化为：ctr 21121212 1 波动光学基础波动光学基础1.5.2 菲涅耳公式菲涅耳公式 piisc21coscos1讨论：讨论：振幅反射系数与入射角的关系振幅反射系数与入射角的关系B1 波动光学基础波动光学基础1.5.2 菲涅耳公式菲涅耳公式,BC1 波动光学基础波动光学基础1.5.2 菲涅耳公式菲涅耳公式说明：说明： s分量和分量和p分量分别独立地按照各自的规律反射和折射，其振幅反射

6、比分量分别独立地按照各自的规律反射和折射，其振幅反射比和振幅透射比仅取决于光束的入射角和两种介质的折射率，并且一般和振幅透射比仅取决于光束的入射角和两种介质的折射率，并且一般不相等不相等反射光和透射光的两个正交偏振分量的振幅一般不相等。反射光和透射光的两个正交偏振分量的振幅一般不相等。 |E1s|E1p|； |E2s|E2p|。 自然光入射时，自然光入射时，反射光和透射光均为部分偏振光反射光和透射光均为部分偏振光。 圆偏振光入射时，圆偏振光入射时，反射光和透射光均为椭圆偏振光反射光和透射光均为椭圆偏振光。 线偏振光入射时，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反射光和透

7、射光仍为线偏振光，但振动面相对于原入射光有一定偏转射光有一定偏转。1 波动光学基础波动光学基础1.5.2 菲涅耳公式菲涅耳公式定义：外反射：定义：外反射：自然光以入射角自然光以入射角i1由介质由介质1进入介质进入介质2时的反射时的反射 内反射：内反射：自然光以入射角自然光以入射角i2由介质由介质2进入介质进入介质1时的反射时的反射 取：振幅外反射比：取：振幅外反射比：rs、rp， 振幅外透射比：振幅外透射比：ts、tp 振幅内反射比：振幅内反射比：rs、rp，振幅内透射比：，振幅内透射比：ts、tp 斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系：ssrrpprr1ss2s ttr1pp2pttr1. 5.

8、 3 斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系1 波动光学基础波动光学基础无论是无论是s分量还是分量还是p分量，其分量，其内反射与外反射的振幅反射比大小相等，内反射与外反射的振幅反射比大小相等，符号相反，相应的振幅透射比（符号相反，相应的振幅透射比（ts与与ts，tp与与tp）总是符号相同）总是符号相同。 结论：结论：1. 5. 3 斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系布儒斯特角：布儒斯特角：折射光线与反射光线方向正交时的入射角折射光线与反射光线方向正交时的入射角iB 布儒斯特定律：布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角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时，反射光只存在偏振面垂直于入射面的

9、偏振分量（即射面的偏振分量（即s分量）分量）12Barctannni图图1.3-9 自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射iBE1pE1sk1iBE1sk1iBk2E2pE2sn2n1若若n1=1，则，则2Barctan ni 数学表示：数学表示：1.5.4 布儒斯特定律布儒斯特定律1 波动光学基础波动光学基础1.5.4 布儒斯特定律布儒斯特定律 自然光以布儒斯特角入射时，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（反射光为振动面垂直于入射面（s分量）分量）的线偏振光的线偏振光，透射光变为部分偏振光透射光变为部分偏振光。说说 明：明： 线偏振光线偏振

10、光以布儒斯特角入射时，若其振动面与入射面垂直，则以布儒斯特角入射时，若其振动面与入射面垂直，则反射光反射光和透射光均为振动面垂直于入射面的线偏振光和透射光均为振动面垂直于入射面的线偏振光；若入射光振动面与入若入射光振动面与入射面平行，射面平行，则反射光强度为则反射光强度为0，即全部透射，即全部透射。 圆偏振光圆偏振光以布儒斯特角入射时，以布儒斯特角入射时，反射光仍为振动面垂直于入射面（反射光仍为振动面垂直于入射面（s分量）的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光分量）的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光。1 波动光学基础波动光学基础1.5.4 布儒斯特定律布儒斯特定律结论：结论： 自然光自疏（快）介质向密

11、（慢）介质入射时，反射光相对入射光自然光自疏（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（存在半波损失（p p 相位突变），反之不存在。相位突变），反之不存在。 透射光在任何情况下都不存在半波损失。透射光在任何情况下都不存在半波损失。 1.5.5 反射光与透射光的半波损失（相位突变）反射光与透射光的半波损失（相位突变）1 波动光学基础波动光学基础1.5.5 反射光与透射光的半波损失反射光与透射光的半波损失1.5.6 全反射现象与应用全反射现象与应用 一、反射系数及反射相移一、反射系数及反射相移，改变偏振态时，不改变偏振态时，、均为复数、ppp0,020,01, 1111psCp

12、sCPSSPspspRRrr、rr二、倏逝波二、倏逝波 1、等幅面是平行于界面的平面，、等幅面是平行于界面的平面， 等相面是垂直于界面的平面。等相面是垂直于界面的平面。 2、入射波透入介质、入射波透入介质2约一个波长的深度，约一个波长的深度， 透射波沿界面传播约半个波长，透射波沿界面传播约半个波长， 然后返回介质然后返回介质1。1.5.6 全反射现象与应用全反射现象与应用1 波动光学基础波动光学基础 三、近场扫描光学显微镜（三、近场扫描光学显微镜（NSOM） NSOM原理：原理：1 波动光学基础波动光学基础1.5.6 全反射现象与应用全反射现象与应用 NSOM独特功能：独特功能： 1、高分辨、

13、高分辨 突破衍射极限（突破衍射极限（200nm）, 实现实现12nm分辨。分辨。 、样品宽容、样品宽容 固、液、绝缘体、金属、半导体，无需特殊加工。固、液、绝缘体、金属、半导体，无需特殊加工。 、环境宽松、环境宽松 无需真空环境。无需真空环境。 、照明方式多样，倏逝波广泛存在。、照明方式多样，倏逝波广泛存在。1 波动光学基础波动光学基础1.5.6 全反射现象与应用全反射现象与应用 强度反射率和强度透射率强度反射率和强度透射率 强度反射率：强度反射率： 2pp2ss,rRrR强度透射率强度透射率：2p12p2s12s,tnnTtnnT问题：问题：当当i1，i20时，时， 1, 1ppssTRTR

14、1.5.7 反射光与透射光的能量分配反射光与透射光的能量分配1 波动光学基础波动光学基础1.5.7 反射光与透射光的能量分配反射光与透射光的能量分配问题的起因：问题的起因：光在不同介质中的传播速度不同，导致斜入射时透射光束光在不同介质中的传播速度不同，导致斜入射时透射光束的横截面与入射光束不同，而强度表示单位面积上的平均的横截面与入射光束不同，而强度表示单位面积上的平均能流密度，并不是总的能流，故有可能不满足守恒定律。能流密度，并不是总的能流，故有可能不满足守恒定律。i2i1i1i2i1i1BAOOn1n2C图图1.3-15 折射光束与反射光束横截面的几何关系折射光束与反射光束横截面的几何关系

15、1 波动光学基础波动光学基础1.5.7 反射光与透射光的能量分配反射光与透射光的能量分配 光能流反射率和透射率光能流反射率和透射率 以以s s表示光束的横截面积，则光束的总能流表示光束的横截面积，则光束的总能流W=Is s。对于反射光，对于反射光，s s =s s，故有，故有swspwp,RRRR对于透射光，对于透射光，s s =(cosi2/cosi1)s s，故有，故有2p1122p12wp2s1122s12wscoscoscoscoscoscoscoscostininTiiTtininTiiT能量守恒定律：能量守恒定律：11wpwpwswsTRTR1 波动光学基础波动光学基础1.5.7

16、反射光与透射光的能量分配反射光与透射光的能量分配图图1.3-16 强度反射和透射率强度反射和透射率00.51.00306090RsTpTsRpi1/(o)n1=1.0n2=1.5图图1.3-17 能流反射和透射率能流反射和透射率00.51.00306090RwpRwsTwpTwsi1/(o)n1=1.0n2=1.51 波动光学基础波动光学基础1.5.7 反射光与透射光的能量分配反射光与透射光的能量分配 作业五作业五:1.光矢量与入射面之间的夹角为简称为振动的方位角或偏振角光矢量与入射面之间的夹角为简称为振动的方位角或偏振角,证明证明:入入射线偏振光的方位角射线偏振光的方位角 与反射线偏振光的方

17、位角与反射线偏振光的方位角 ,以及折射射线偏振以及折射射线偏振光的方位角光的方位角 之间的关系式为之间的关系式为 2.用三块折射率为用三块折射率为1.64的平板玻璃叠放在一起的平板玻璃叠放在一起,一束自然光以布儒斯特角一束自然光以布儒斯特角入射入射,计算计算透射光的偏振度透射光的偏振度透射光中透射光中P偏振光与偏振光与S偏振光的光强度比值偏振光的光强度比值1 1 2 12211211222211212111tancoscoscoscostantancoscostan ininininEEiiiiEEPSPS 本节重点本节重点1. 垂直入射时的振幅反射比和振幅透射比、强度反垂直入射时的振幅反射比和振幅透射比、强度反射率与能流反射率射率与能流反射率2. 斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系3. 布儒斯特定律布儒斯特定律4. 反射时发生半波损（相位突变）的条件反射时发生半波损（相位突变）的条件1 波动光学基础波动光学基础1.5 光在介质界面的反射与折射光在介质界面的反射与折射