大学物理光学1-5省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

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1/29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2/29

光波带有振幅、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，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3/29一、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4/29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反射与折射设：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5/29１．２．３．1波动光学基础1.5.1光在介质界面反射与折射6/29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光在介质界面反射与折射7/29入射自然光矢量分解：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.8/291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:9/29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10/29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11/29菲涅耳公式

1波动光学基础1.5.2菲涅耳公式12/29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13/29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14/291波动光学基础1.5.2菲涅耳公式15/29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16/29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17/29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18/29①

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19/29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20/291.5.6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21/29三、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22/29NSOM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23/29①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24/29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25/29②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26/29图1.3-16强度反射和透射率i1/(o)n1=1.0n2=1.5图1.3-17能流反射和透射率i1/(o)n1=1.0n2=1.51波动光学基础1.5.7反射光与透射光能量分配27/29作业五:1.光矢量与入射面之间夹角为简称为振动方位角或偏振角,证实:入射线偏振光方位角与反射线偏振光方位角,以及折射射线偏振光方位角