第三章界面光学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,界面光学主要内容：,介质界面,菲涅耳公式,反射率和透射率,全反射,近场显微镜,金属光学,波在导体中的传播,金属面的反射和折射,第一节：菲涅耳公式,菲涅耳公式,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，光波具有振幅、相位、频率、传播方向和偏振结构等诸多特性。因此，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。,特征振动方向和局部坐标架,图显示了界面反射和折射时的电场矢量和光传播方向的空间取向，它是正确理解菲涅耳公式的一个基本图象。,p,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：,构成一个局部的坐标架,且：,构成一个局部的坐标架,且：,构成一个局部的坐标架,且：,为什么选择,p,和,s,为特征振动方向,？,思考题,1,：,利用边界条件证明上面的结论。,将任意线偏振电矢量分解为,p,振动与,s,振动，这有深刻的寓意,-,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。换句话说巾振动与,s,振动之间互不交混，彼此独立，各有自己不同的传播特性。,E,2y,E,2z,E,2x,Z,x,E,1x,E,1z,E,1y,E,1x,E,1z,E,1y,i,1,i,2,菲涅耳公式,其中：,求解得：,S,光的反射和透射，请同学们自己推导,(H),。,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：,从一般的电磁场的边值关系到最后的菲涅耳公式的推导过程中引用了若干条件，这些条件便是菲涅耳公式成立的条件，总结如下：,适用于绝缘介质，无表面自由电荷和传导电流。,适用于各向同性介质。,适用光学线性介质（弱光强），满足,D=,0,E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,第二节、反射率和透射率,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，,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,i,1,=i,2,=0,代入复振幅反射率和透射率公式，得,n,1,=1,n,2,=1.5,对,P,光，若,r,p,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,对,S,光，若,r,s,n,2,时，,t,p,=t,s,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,当,n,1,=1,n,2,=1.5,：,当,n,1,=1.5,n,2,=1,：,光强反射率和透射率,光强,I=nE,0,2,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？（,n,1,=1,n,2,=1.5),注意：,对于斜入射的光,原因是：,光强,I,是光功率面密度，其单位是为瓦,/,米,2,(W/m,2,),。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,i,1,i,2,S,2S,1,S,1,i,1,i,2,光功率守恒：,定义光功率反射率和透射率：,布儒斯特角,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：,i,B,为布儒斯特角,+,布儒斯特角,:,诺伦伯格反射偏振计,起偏器,检偏器,i,B,i,B,玻片组透射光的偏振度,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，下图为一例：,注：偏振度的定义：,外腔式激光管加装布儒斯特窗,.,i,0,i,0,激光输出,布儒斯特窗,M,1,M,2,i,0,i,0,在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰,未装偏振片,装偏振片,反射光的偏振态,反射光的偏振态和入射光的偏振态、入射角和介质的折射率有关。,举一特例,-,自然光入射（光疏到光密）,斯托克斯倒逆关系,斯托克斯倒逆光路方法巧妙地解决了,n,1,/,n,2,界面复振幅反射折射率（）和,n,2,/,n,1,界面复振幅反射折射率（,）的关系。,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。,第三节 反射光的相位变化,反射光的相位变化,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,反射光的相位变化曲线,相移因子,(),的原始含义为：,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。,当,=,，复振幅反射率为负实数，表明反射光振动态与局部坐标架,(,p,s,),方向相反。,当,0,，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。,反射光的相移变化曲线：,(1),n,1,n,2,，,光疏介质到光密介质,:,n,1,n,2,（,1,）,n,1,n,2,相移变化比较简单，,=0,或者,，,如图：,（,2,）,n,1,n,2,，即光密到光疏,n,1,n,2,入射角大于全反射角：,i,2,角度的大小和意义,?,当入射角,i,1,i,c,时，按照折射定律在形式上得,：,所以：,令于是：,相移因子求得,：,（,2,）,n,1,n,2,n,1,n,2,，即光密到光疏，当入射角大于全反射临界角，相移因子由,0,连续变致，见下图：,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,例题,-,菲涅耳棱镜产生圆偏振光,设玻璃折射率,n,1,=1.51,，空气的折射率,n,2,=1.0,，以入射角,i,1,=5120,入射 一线偏振光，且偏振方向与入射面成,45,夹角，相位,1p,1s,=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，分析反射光的偏振态？,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：,菲涅耳棱镜,所以：,结论,：因为入射角大于临界角，所以实振幅反射率,r,s,和,r,p,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。,反射光的相位突变问题,以上讲解的知识已经解决了这个问题，这里给出一个总结的结论；这些结论对于确定入射光和反射光的干涉场非常有用。,半波损失：,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,，称之为半波损失。这意味着入射情况为正入射和掠射。,结论：,正入射时。,n,1,n,2,界面反射没有相位突变，即没有半波损失。,掠射时。无论,n,1,n,2,还是,n,1,n,2,n,3,或,n,1,n,3,，要计相位突变,，即实际光程差为：,ii.,当,n,1,n,2,n,3,或,n,1,n,2,ic,第六节 近场扫描光学显微镜,近场扫描光学显微镜,工作在近场区,隐失场探测,超分辨 逐点扫描,光学,探针,探针样品间距,z,的,反馈控制系统,驱动样品或针尖在,x-y,平面内运动的二维扫描,系统,信号,采集系统,图像处理系统,近场光学显微镜种类和工作模式,(a),有孔针尖,SNOM,(b),无孔针尖,SNOM,(c),光子隧穿显微镜,按探针作用分为：,照明模式,（,I mode,）,收集模式,（,C mode,）,照明收集,模式,（,I-C mode,）,按光信号获取方式不同：,反射模式,透射模式,荧光模式,工作模式：,近场光学显微镜的扫描模式,等高度模式,(CHM),：,无形貌假像,等间距模式,(CGM),：,安全，不易损坏,形貌图 光学图,探针样品间距控制,方法：隧道电流,隐失场的光强,针尖样品间力的相互作用,切变力探测,传统,AFM,的光杠杆技术,光学探针,探针孔径,SNOM,分辨率,通光效率,SNOM,信噪比,孔径越小，通光越低,典型探针孔径：,50,100,纳米,488 nm,NSOM,探针制备,化学腐蚀：,优点：制备快，锥角大,20-30,缺点：,HF,有毒，表面性质难控,热拉法：,优点：制备快、方便，表面光滑。,缺点：,锥角小,(,于是,d,可以简化为：,理想导体,，则,1,n,这样的导体不允许电磁波丝毫进入，将全部入射波反射。,2.,金属面的反射和折射,导电媒质中时谐平面波传播所服从的基本方程，与透明电介质中的传播相比，差别仅在于前者用复常数,和,k,，替代了实数,和,k,。,导体中的折射定律：,2.1,金属表面的折射,都是复量，因而此量不再具有简单的折射角意义。,导体中波的相位和振幅的空间变化,x,z,令：,上式两边平方，实部和虚部分别相等：,于是：,振幅的空间变化,位相的空间变化,等幅面：,即z,=,常数,等幅面平行于界面。,等位相面：,等位相面是平面，其传播方向（和界面法线夹角）：,导体中光波的等位相面和等幅面一般不重合，为非均匀波,2.2,导体界面的反射和光学参数测量：,透明材料的折射率可以利用光折射来测量，对于金属，这种测量方法非常困难。尽管如此，,1888,年左右,Kundt,还是制备了金属棱镜，并直接测量了金属的复折射率。不过，通常情况金属光学参数是借助研究光在金属表面的反射来测量。,August Adolf Eduard Eberhard Kundt,(1839 1894),反射光的振幅和位相把复折射角带入菲涅耳公式可求得。,假设入射光是线偏振光，其振动方位角为,ip,s,i,定义,r,为反射光的振动方位角（一般为复数）：,其中：,两种情况：,1.,正入射,i,=0,这时,P=1,，,=-,tan,r,=-tan,i,2.,掠入射,i,=90,这时,P=1,，,=0,tan,r,=tan,i,在这两种极限的情况之间，即：,在,-,至,0,之间变化，这意味着线偏振光入射，随入射角的增大，其反射光的偏振态从线偏振光变为椭圆偏振光，再变化为线偏振光。,当,反射光为正椭圆偏振光。,p,s,此时对应的入射角称之为,主入射角,时反射光为圆偏振光,导体界面反射，,P,极大值对应的入射角称之为,准起偏角,P,和,和入射角的关系：,在实验上，一般测量反射光的振幅和位相，推算导体的光学常数,(n,和,),。,例：由,P,、，求,n,和,由,得：,为了计算方便，引入一个角度,，定义为：,得：,由上面两式得：,两边平方，实部和虚部分别相等，得：,其中，,R,是正入射的光强反射率。,本章小结,电磁场,边界条件,菲涅耳,公式,反射,透射,相位,起偏角,全反角,全反射,隐失场,金属界面,传播,反射,透射,主入射角,准起偏角,附录：,因为入射光为,s,偏振，所以,E,1p,=0,，得,E,1p,=,E,2p,=0,，即反射光和折射光仅为,s,偏振。也可以形象地用作图说明；,E,2s,E,2z,E,2x,Z,x,E,1s,E,1x,E,1z,E,1s,P,边界关系要求：,导致电场矢量不能垂直于光传播方向。,同理可以证明,p,偏振入射光的反射折射光只能是,p,偏振。,思考题：,利用边界条件证明上面的结论。,