大学物理光学15课件

1波动光学基础

§1.1光的波动性质

*§1.2光波的函数表述

*§1.3光的偏振态

§1.4实际光波与理想光波

*§1.5光在介质界面的反射与折射第1章波动光学基础主要内容1.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3.斯托克斯倒易关系4.布儒斯特定律5.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1波动光学基础1.5光在介质界面的反射与折射6.全反射现象与应用

光波带有振幅、相位、频率、传播方向和偏振态等诸多特性。因此，全面考察光在界面的反射和折射时的传播规律，应包括：传播方向、能流分配、相位变化和偏振态变化。1.5.1光在两种电介质分界面上的反射和折射1波动光学基础1.5.1光在介质界面的反射与折射注意区分：二、反射和折射定律i1i2i1'n1n2图1.2-3光在两种介质分界面上的反射与折射设：入射、反射、折射光波的电场矢量的S-分量分别为：光矢量的s分量-垂直于入射面振动界面；入射面；振动面光矢量的p分量-平行于入射面振动r—是在界面上的任一点的位置矢量。

1波动光学基础1.5.1光在介质界面的反射与折射１．２．３．1波动光学基础1.5.1光在介质界面的反射与折射即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入射角的正弦与折射角的正弦之比，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、折射光线与入射光波频率相同；1波动光学基础1.5.1光在介质界面的反射与折射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:振幅反射系数与振幅透射系数:注意:2.在与近乎反向的情况下,若与近乎同向,则与也近乎反向.1.由矢量式改为标量式时,相互正交的的两个分量可以各自建立一个方程.注意:使用进行H、E之间的代换时，应当切记H、E之间是垂直关系。因此，1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式由①、②、③、④可解得振幅反射系数与振幅透射系数1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式引入中间变量——有效折射率则，菲涅耳公式可以简化为：1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式讨论：振幅反射系数与入射角的关系1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式定义：外反射：自然光以入射角i1由介质1进入介质2时的反射

内反射：自然光以入射角i2由介质2进入介质1时的反射

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波动光学基础无论是s分量还是p分量，其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（ts与ts'，tp与tp'）总是符号相同。

结论：1.5.3斯托克斯倒易关系布儒斯特角：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：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的偏振分量（即s分量）图1.3-9自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射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）的线偏振光，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的线偏振光；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）的线偏振光，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的平面，等相面是垂直于界面的平面。2、入射波透入介质2约一个波长的深度，透射波沿界面传播约半个波长，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NSOM独特功能：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。i2i1'i1i2i1'i1BAO'On1n2C图1.3-15折射光束与反射光束横截面的几何关系1波动光学基础1.5.7反射光与透射光的能量分配②光能流反射率和透射率

以s表示光束的横截面积，则光束的总能流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