光学第三章 - 介质界面光学与近场光学显微镜.pptx

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1、第三章介质界面光学与近场光学显微镜第三章介质界面光学与近场光学显微镜介质界面光学菲涅耳公式全反射近场光学显微镜金属光学波在导体中的传播金属面的反射和折射金属光学常数电子论初探金属膜理论频率、振幅、相位、偏振态、传播方向能流分配、相位变更、偏振态变化、传播方向、频率变化光波（横波）3.1菲涅耳公式3.2反射率和透过率3.3反射光的相位变化3.4反射光的偏振态3.5全反射时的透射场—隐失波3.6近场扫描光学显微镜介质界面光学3.1菲涅耳公式3.2反射率和透过率3.3反射光的相位变化3.4反射光的偏振态3

2、.5全反射时的透射场—隐失波3.6近场扫描光学显微镜介质界面光学光波遇到两种材料分界面时，将发生反射和折射。作为一种横波，光波带有频率、振幅、相位、偏振和传播方向诸多特性。全面考察光在界面反射折射时的传播规律，应包括传播方向、能流分配、相位变更和偏振态变化等几个方面的内容。3.1菲涅耳公式（Fresnelformula）—界面反射和折射时的传播规律几何光学—传播方向波动光学电磁场边值关系(boundaryconditions)电磁场边值关系由麦克斯韦积分方程给出，其反映了电磁场在两种介质分界面处

3、的突变的规律。电位移矢量法线分量连续电场强度矢量切线分量连续磁感应强度矢量法线分量连续磁场强度切线分量连续在绝缘介质界面，无自由电荷和传导电流光是电磁波，在界面处的入射光、反射光和折射光的复振幅矢量满足边值关系。由边值关系可以推导出菲涅耳公式。从线偏振单色平面波入手…特征振动方向和局部坐标架界面反射和折射时的电场矢量和光传播方向的空间取向。Eparallelto/perpendiculartotheplane-of-incidencep和s为特征振动方向。可以构成一个局部的坐标架，我们约定：为什么选

4、择p和s为特征振动方向？思考题：利用边界条件证明上面的结论。在光波遇到界面发生反射和折射的物理过程中，p振动与s振动是两个特征振动。如果入射光的电矢量只有p振动，则反射光和折射光中也只有p振动;如果入射光的电矢量只有s振动，则反射光和折射光中也只有s振动。换句话说，p振动与s振动之间互不交混，彼此独立，各有自己不同的传播特性。E2yE2pnE2ptZxE1ptE1pnE1yE’1ptE’1pnE’1yi1i2菲涅耳公式(Fresnelequations)电位移矢量法线分量连续电场强度矢量切线分量连续

5、E1pE’1pE2pE2sE1sE’1s求解得：也可以形象地用作图说明：边界关系要求：电场矢量不垂直于光传播方向。同理可证明p偏振入射光的反射折射光只能是p偏振。请同学们自己推导。入射光为s偏振E1p=0E’1p=E2p=0，即反射光和折射光仅为s偏振。E2sE2nE2xZxE1sE’1xE’1nE’1sE’1p*菲涅耳公式在光频段，高频率条件下，介质的磁化机制几乎冻结，故磁导率1，于是介质光学折射率附加磁场边界条件，可以推得，请同学们课下推导。菲涅耳公式成立条件：适用于绝缘介质，无表面自

6、由电荷和传导电流。适用于各向同性介质。适用于光学线性介质（弱光强），满足D=0E适用于平面波在光频段，频率高，介质的磁化机制几乎冻结，磁导率1，于是介质光学折射率实际光束，平面波组成的波包。物理，2012，41(6)：374-381“光自旋霍尔效应及面内光自旋分离”3.1菲涅耳公式3.2反射率和透过率3.3反射光的相位变化3.4反射光的偏振态3.5全反射时的透射场—隐失波3.6近场扫描光学显微镜介质界面光学3.2反射率和透射率本节讲解菲涅耳公式的应用，包含如下内容：◐复振幅反射率和透射率，◐

7、光强反射率和透射率，◐光功率反射率和透射率，◐布儒斯特角，◐玻片组透射光的偏振度，◐斯托克斯倒逆关系◐复振幅反射率和透射率由菲涅耳公式推导出复振幅反射率和透射率，它们包含了实振幅比值和相位差值：例题2导出正入射时的复振幅反射率和透射率。令i1=i2=0代入复振幅反射率和透射率公式，得空气—玻璃界面，n1=1,n2=1.5E2yE2nE2xZxE1xE1nE1yE’1xE’1nE’1yi1i2对p光，若rp>0,正入射时表示反射光振动方向与入射方向相反，即反射光位相变化180度对s光，若rs<0,正入

8、射时表示反射光振动方向与入射方向相反，即反射光位相变化180度所以，结果是统一的。空气—玻璃界面，n1=1,n2=1.5当n1=1,n2=1.5：当n1=1.5,n2=1：问题：当n1>n2时，tp=ts>1,是否违背光能流守恒？关于这个问题我们引进光强反射率和透射率，及光功率反射率和透射率n1=1.0n2=1.5tpts◑光强反射率和透射率光强I=nE02，光强反射率和透射率：例题：一束光以60°的入射角入射，其光强反射率和透射率？（n1=1,n2=1.5)注意：对