光学第三章介质界面光学与近场光学显微镜课件.pptx
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《光学第三章介质界面光学与近场光学显微镜课件.pptx》由用户(ziliao2023)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光学 第三 介质 界面 近场 显微镜 课件
- 资源描述:
-
1、介质界面光学介质界面光学菲涅耳公式菲涅耳公式全反射全反射近场光学显微镜近场光学显微镜金属光学金属光学波在导体中的传播波在导体中的传播金属面的反射和折射金属面的反射和折射金属光学常数电子论初探金属光学常数电子论初探金属膜理论金属膜理论频率、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 3.1 菲涅耳公式菲涅耳公式3.2 3.2 反射率和透过率反射率和透过率3.3 3.3 反射光的相位变化反射光的相位变化3.4 3.4 反射光的偏振态反射光的偏振态3.5 3.5 全反射全反射时的透射场时的透射场 隐失波隐失波3.6 3.6 近场扫描光学显微镜近场
2、扫描光学显微镜3.1 3.1 菲涅耳公式菲涅耳公式3.2 3.2 反射率和透过率反射率和透过率3.3 3.3 反射光的相位变化反射光的相位变化3.4 3.4 反射光的偏振态反射光的偏振态3.5 3.5 全反射全反射时的透射场时的透射场 隐失波隐失波3.6 3.6 近场扫描光学显微镜近场扫描光学显微镜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 3.1 菲涅耳公式菲涅耳公式(Fresnel formula)界面界面反射和折射时
3、的传播反射和折射时的传播规律规律几何光学 传播方向 波动光学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的突变的规律。SSfLSfLSdSBQdSDdSDdtdIdlHdSBdtddlE00)()()(0)(12121212BBnDDnHHnEEnttnnttnnHHHHEEEE212211212211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 光是光是电磁波,在界面处的入射光、反射光和电磁波,在界面处的入射光、反射光和折射折射光光的复振幅矢量满足边值关系的复振幅矢量满足边值关系。由由边值关系可以推导出菲涅耳公式。边值
4、关系可以推导出菲涅耳公式。从线偏振单色平面波入手从线偏振单色平面波入手 界面反射和折射时的电场矢量和光传播方向的空间取向。E parallel to/perpendicular to the plane-of-incidence和 为特征振动方向。psk(,)可以构成一个局部的坐标架,我们约定:111111,/p s kpsk 构成一个局部正交坐标架,且111111222222,/,/p s kpskp s kpsk 构成一个局部正交坐标架,且构成一个局部正交坐标架,且为什么选择为什么选择p和和s为特征振动方向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
5、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。E2yE2pnE2ptZxE1ptE1pnE1yE1ptE1pnE1y111111112222222211111111cos,sin,cos,sin,cos,sin,pzpysxxpzpysxpzpysEEiEEiEEEEiEEiEEEEiEEiEE i1i2菲涅耳公式菲涅耳公式 (Fresnel equations)112112):():ptxxxxsyyyyx
6、EEEEEyEEEEE方向(=方向=电位移矢量法线分量连续电位移矢量法线分量连续电场强度矢量切线分量连续电场强度矢量切线分量连续11122():()nzzzzzEEEEE方向E1pE1pE2pE2sE1sE1sn1k1k2k2121121121211211121212112cos sinsincoscos sinsincos2sincoscos sinsincosppppiiiiEEiiiiiiEEiiii求解得:也可以形象地用作图说明:121122xxzzEEEE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=
7、0E1p=E2p=0,即反射光和折射光仅为s偏振。E2sE2nE2xZxE1sE1xE1nE1sE1p2112121211112112121121212121211211222111122coscossin(2)sin(2)tan()coscossin(2)sin(2)tan()2coscoscoscoscossin(coscos(sinsin)ppppppssniniiiiiEEEEniniiiiiniEEninininiiEEninninii11211112211112221)sin()2cos2cos sincoscossin()ssssiEiiniiiEEEniniii 在在光频段,高
8、频率条件下,光频段,高频率条件下,介质介质的的磁化机制几乎冻结,故磁导率磁化机制几乎冻结,故磁导率 1,于是于是介质光学折射率介质光学折射率n附加磁场边界条件附加磁场边界条件,可以可以推得推得,请请同学们课下推导。同学们课下推导。2121121121211211121212112cos sinsincoscos sinsincos2sincoscos sinsincosppppiiiiEEiiiiiiEEiiii菲涅耳公式成立条件:菲涅耳公式成立条件:1.适用于绝缘介质,无表面自由电荷和传导电流。2.适用于各向同性介质。3.适用于光学线性介质(弱光强),满足D=0E4.适用于平面波5.在光频段
9、,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n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 3.1 菲涅耳公式菲涅耳公式3.2 3.2 反射率和透过率反射率和透过率3.3 3.3 反射光的相位变化反射光的相位变化3.4 3.4 反射光的偏振态反射光的偏振态3.5 3.5 全反射全反射时的透射场时的透射场 隐失波隐失波3.6 3.6 近场扫描光学显微镜近场扫描光学显微镜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,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
10、斯倒逆关系 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:22112211112112211211coscoscoscoscoscoscoscosininininEErininininEErsssppp2211111221121112coscoscos2coscoscos2inininEEtinininEEtsssppp212122112211121221122112coscoscoscoscoscoscoscosnnnnininininrnnnnininininrsp例题2 导出正入射时的复振幅反射率和透射率。令令i1=i2=0 0 代入代入复振幅反射率和透射率公式
11、,得复振幅反射率和透射率公式,得空气玻璃界面,n1=1,n2=1.52.02.0sprrE2yE2nE2xZxE1xE1nE1yE1xE1nE1yi1i2 对p光,若rp0,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rsn2时,tp=ts1,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反射率和透射率221111,psppsspsIIRrRrII光强I=nE02,光强反射率和透射率:2222221111,psppsspsIInnTtTtInIn例题:一束光以60的入射
12、角入射,其光强反射率和透射率?(n1=1,n2=1.5)22111122222211110.002,0.1780.609,0.501psppsspspsppsspsIIRrRrIIIInnTtTtInIn注意:对于斜入射的光1,1ssppTRTR原因是:光强I是光功率面密度,其单位是为瓦/米2(W/m2)。若考虑光功率应该记及光强和正截面两个因素。光功率反射率和透射率光功率反射率和透射率222111111,SIWSIWSIW2121coscosiiSSi1S1S1i1i2S2i211ppss,光功率守恒:1111psppsspsWWRRWW ,定义光功率反射率和透射率:22221111cosc
13、oscoscospsppsspsWWiiTTWiWi ,面积因子1211221121212112211212111221212211112212122121coscoscoscostan()coscoscoscostan()coscoscoscossin()coscoscoscossin()pppssspppEnininiiiirEnininiiiiEnininiiiirEnininiiiiEtE1112112211221111112212122cos2coscoscoscoscos2cos2coscoscoscoscospssniinininiiEniitEniniini反射率反射率/透射率
14、透射率P分量分量S分量分量振幅反射率振幅反射率强度反射率强度反射率功率反射率功率反射率振幅透射率振幅透射率强度透射率强度透射率功率透射率功率透射率1ss 11ppppWRW 反射率和透射率:2211coscosppppWiTWi 211ppppIRrI 22211ppppInTtIn11/ppprEE21/ppptEE11/sssrEE21/ssstEE211ssssIRrI 22211ssssInTtIn11ssssWRW 2211coscosssssWiTWi 1pp E2yE2pnE2ptZxE1ptE1pnE1yE1ptE1pnE1yi1i2E1pE1pE2pE2sE1sE1sn1k1
15、k2k1E1p入射面(x,z)E1E1s1E1p入射面(x,z)E1E1s2E2p入射面(x,z)E2E2s线偏振光可以分解为p和s分量,其振动的方位角或偏振角为,即光矢量与入射面之夹角100%4%n1=1.5n2=1.0RsRpiC/20iB 22211212211212coscostan()=0coscostan()pniniiiRniniii221sinsinininB22Bii12tannniB 根据以上讲的光强反射率和入射角的关系公式可以得出光强反射率曲线:2cossinBii1.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0rsrp0iBn1=1.0n2=1.
16、5/24%15%n1=1.0n2=1.5RsRpiB/20100%iB:布儒斯特角iC:临界角/21.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0rsrp0n1=1.5n2=1.0iCiB?i B+=90on2 iBiBn112tannniB外腔式激光管加装外腔式激光管加装布儒斯特窗:布儒斯特窗:iBiB激光输出激光输出布儒斯特窗布儒斯特窗M1M2iBiB 利用p光和s光的光强反射率、折射率不同的特性,使用玻片组可以或得比较高偏振度的偏振光:注:偏振度的定义:MmMmIIPII一玻片组成为透射起偏器一玻片组成为透射起偏器iB15%s光自然光偏振度 8%p光16层偏振度9
17、0%空气层A stack of plates at Brewsters angle to a beam reflects off a fraction of the s-polarized light at each surface,leaving a p-polarized beam.Full polarization at Brewsters angle requires many more plates than shown.在拍摄玻璃窗内的物体时,去掉反射光的干扰在拍摄玻璃窗内的物体时,去掉反射光的干扰未装偏振片未装偏振片装偏振片装偏振片 斯托克斯倒逆光路方法巧妙地解决了n1/n2界面
18、复振幅反射折射率()和n2/n1界面复振幅反射折射率()的关系。tr,tr图中显示反射光行波和折射光行波均被抵消,当然另外两列光行波(1,rr,tt)和(rt,rt)也不复存在。201()0rtr tttrn1n2n1i1i1r tr t11n1n2r r ttttrr rtr t斯托克斯倒逆关系21rrttr 3.1 3.1 菲涅耳公式菲涅耳公式3.2 3.2 反射率和透过率反射率和透过率3.3 3.3 反射光的相位变化反射光的相位变化3.4 3.4 反射光的偏振态反射光的偏振态3.5 3.5 全反射全反射时的透射场时的透射场 隐失波隐失波3.6 3.6 近场扫描光学显微镜近场扫描光学显微镜
19、反射光的相移变化曲线例题菲涅耳棱镜产生圆偏振光反射光的相位突变问题维纳实验反射光反射光的相位变化曲线的相位变化曲线2112211211221122coscoscoscoscoscoscoscospsippissninirr eninininirr enini相移因子1111pppsss,,ps()的原始含义为:21112112211111222cos0coscos2cos0coscospppsssEnitEniniEnitEniniE2与E1同相位透射光反射光1.当=0,复振幅反射率为正实数,表明反射光振动 态与局部坐标架(p,s)方向一致。2.当=,复振幅反射率为负实数,表明反射光振动 态与
20、局部坐标架(p,s)方向相反。3.当0或,复振幅反射率为复数,表明反射光振动 态介于局部坐标架(p,s)之间,入射光为线偏振,反射光则为椭圆偏振。1111pppsss,,psiippssrr erre反射光的相移变化曲线:反射光的相移变化曲线:0/2s 相移因子入射角n1n2(1)n1n2,n121,光疏介质到光密介质,相移变化比较简单,=0或者,如图:与局部坐与局部坐标架相反标架相反与局部坐与局部坐标架相反标架相反n1n2pipprr esissrre(2)n1n2,n121,即光密到光疏,情况比较复杂,当入射角大于全反射临界角,相移因子由0连续变至n1n221211211,sin1tan2
21、cospprnini21212111,sin1tan2cosssrnini与局部坐与局部坐标架相反标架相反n1n2222cos1 sin?iiipipprr esissrre2112211211221122coscoscoscoscoscoscoscospsippissninirr eninininirrenini入射角大于全反射角:i2角度的大小和意义?以上相移因子和入射角关系公式的推导:当入射角i1ic时,按照折射定律在形式上得:1sinsin1212inni所以:22122122121cos1 sin1sin1sin1niiinini 令:2121112112122112222121co
22、scossin1coscossin1aniibniinnianiibniinni,令:2121112112122112222121coscossin1coscossin1aniibniinnianiibniinni,于是:1122112211psiipsaibaibrereaibaib 求得相移因子:12122arctan2arctanpsbbaa ,注意:在基元波函数复数形式表示里,我们约定了相位的正负号;实际相位超前取负号,落后取正号,这个约定源于我们选用了e-it2121121sin1tan2cospnini2121211sin1tan2cossnini实际相位差应是上述值的负值,即-菲
23、涅耳棱镜产生圆偏振光菲涅耳棱镜产生圆偏振光 设玻璃折射率n1=1.51,空气的折射率n2=1.0,以入射角i1=51 20 入射一线偏振光,且偏振方向与入射面成45夹角,相位 1p1s=0。即在入射光局部坐标架(p1,s1)看来入射光是两个等相位和正交振动的合成,试分析反射光的偏振态。n=1.51i=5437iiii20514741arcsin112innic首先判断入射角是否大于全反射临界角:入射角大于临界角,所以使用下面的公式计算相移量:结果得:1111866 5ps,2121121sin1tan2cospnini2121211sin1tan2cossnini 4513psppss所以:4
24、513psppss :因为入射角大于临界角,所以实振幅反射率rs和rp等于1,故反射光为内正切于正方形边框的左旋斜椭圆偏振光。适当调整入射角,使得=45,在菲涅耳棱镜里发生两次全反射,s和p光的相位差为2=90,所以出射光为左旋圆偏振光。n=1.51i=5437iiii1111866 5ps,1p1s=0反射光反射光的相位突变问题的相位突变问题结论对确定入射光和反射光的干涉场非常有用。半波损失半波损失 (half-wave loss):在反射点入射光和反射光的线偏振态恰巧相反,也就是说相位相差(a phase shift of radians)。正入射或掠入射(1)正入射时:n1n2,没有。(
25、2)掠射时:无论n1n2还是n1n2,均有。(1)正入射时:n1n2,没有。pskpsk(2)掠入射时:无论n1n2还是n1n2,均有。pskn1n2局部坐标架/spkn1n2n1n212n1n2n3薄膜上下界面反射的光束1和2传播方向一致,考察它们之间的相位差。i.当n1n2n3或n1n3,要计入相位突变,实际光程差为:1202LL ii.当n1n2n3或n1n2 ic12 cosxii 21211211sin12tancossnini 21211121sin12tancospnini 全反射时的空间位移(全反射时的空间位移(GH shift and IF shift)The Goos-Hn
展开阅读全文