1、2019/8/7,PP. 227-258,第六章 均匀平面波的反射和透射,讲 授 人： 冯丽爽 讲授时间： 2011.11.24,举 例,一复合物镜由两个透镜组成，其中一个由折射率n1=1.52的玻璃做成，而另一个则由折射率n2=1.60的玻璃做成。将这两个透镜用n3=1.54的加拿大树胶粘合在一起。设光在透镜上入射角很小，试求光在物镜中由于反射而造成的损失。试将损失与物镜的两透镜不粘在一起而使其间留一空气薄隙时的损失相比较。,T=T1T2T3T4=(1-R1)(1-R2)(1-R3)(1-R4)90.64%,中间是空气，T=82.15%。,增透膜 -每个镜头2个面，每个面反射约损失5%的光能
2、； -光学成像系统中，为校正像差，采用复合透镜； -高级照相机镜头由6个透镜组成； -潜水艇中的潜望镜约有20个镜头。,总损失45%,总损失90%,杂散光同时成像质量下降,举 例,应用,有许多薄膜光学在基础光学元器件中的应用： 镀膜镜片 滤光片 反射镜 薄膜滤波器 WDM等等,薄膜光学是现代光学必不可少的基础技术； 薄膜光学是物理光学的一个重要分支，它研究的对象是膜层对光的反射、透射、吸收以及位相特性、偏振效应等，简而言之，它主要研究光在分层媒质中的传播规律性。,薄膜光学的诞生,什么是光学薄膜？,Optical coatings 一般来讲薄膜敷于光学玻璃、塑料、晶体等基底上；,Optical
3、thin films 通常意义的光学薄膜；,Optical layers 光学薄膜的一个特点是分层结构。,可以用三个常用的英文来形象的解释：,什么是光学薄膜？,薄膜可分成两种：1.光学薄膜-本课程讲的内容。-光横穿过薄膜而进行传播；-在一块基片上淀积五、六十层膜，涂镀工艺是比较成熟的；2.光学波导及其相应器件（波导光学）-光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传播；-膜层层数一般不多，通常仅用一层膜，其镀制工艺仍处在发展中。,需 求,光学薄膜设计的理论基础 光学薄膜系统的设计 光学薄膜的制备（自学） 光学薄膜的特性检测（自学）,参 考 书,有许多薄膜光学的书： 薄膜科学与技术手册，田民波、刘德令，机械
4、工业出版社，1991 光学薄膜原理，林永昌、卢维强著，国防工业出版社1990 OPTICAL THIN FILMS USER HANDBOOK, JAMES D.RANCOUNT 玻璃镀膜， H.K.普尔克尔著，仲永安等译，科学出版社，1988 应用光学薄膜，唐晋发、郑权著，上海科学技术出版社，1984 光学薄膜技术，H.A.麦克劳德著，周九林、尹树百译，国防工业出版社，1974,菲涅尔公式的另外一种表达式,在理想介质中：,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,反射系数,透射系数,/4,/2,0.0,垂直极化入射时的反射系数与折射系数(续),0，入、透射波同相21时,it ,0,入、反射波同
5、相21时,it ,0,入、反射波反相，半波损失,相位关系：,振幅关系：,从光疏到光密介质,垂直极化入射时的反射系数与折射系数(续),从光疏到光密介质,垂直极化入射时的反射系数与折射系数(续),从光密到光疏介质,透射系数,反射系数,布儒斯特角B ：使平行极化波的反射系数等于0 的角。,平行极化入射时的反射系数与折射系数(续),从光疏到光密介质,平行极化入射时的反射系数与折射系数(续),从光密到光疏介质,平行极化入射时的反射系数与折射系数(续),入射波从光疏介质到光密介质,结论：,关于相位变化的讨论：,0,90,90,0,60,B,n1,n1,0，入、透射波同相,0,入、反射波反相;,合成波？存在
6、半波损失,i,i,入射波从光疏介质到光密介质,结论：,关于相位变化的讨论：,合成波存在半波损失,入射波从光密介质到光疏介质,结论：,关于相位变化的讨论：,0，入、透射波同相,入、反射波同相,30,0,60,90,c,B,-0.2,0.2,1,1.2,2,3,n=1/1.5,i,0,C,90,0,n1,B,C,90,0,n1,i,i,结论：,关于相位变化的讨论：,合成波不存在半波损失,入射波从光密介质到光疏介质,全反射和临界角,全反射,入射角,振幅,相位,反射波,透射波,透射波仍沿当分界面传播；但振幅沿垂直于分界面方向上按指数规律衰减-表面波,关于全反射的讨论：,振幅,相位,穿透深度：,与入射角
7、有关,z,等幅面,等相面,波入射到两种媒质分界面，如果反射系数为零，称为无反射现象(全透射)。发生无反射现象时波的入射角，即为布儒斯特角。,对于非磁性介质，由平行极化入射时的反射系数,即：当 发生全透射，此时入射角等于布儒斯特角 。,布儒斯特角的求解：由折射定律,布儒斯特角,6.3.4 全透射和布儒斯特角,对垂直极化入射波,要使 ，则须 ，由折射定律,无介质分界面,结论：无反射发生条件: (1)波为平行极化入射；（2）辐射角等于布儒斯特角。,全透射现象的应用,极化滤波：任意极化波以B入射时，反射波中只有垂直分量，从而实现了极化滤波。,关于无反射的讨论：,关于反射率和透射率大于1的讨论：,能流W
8、=光强度I*光束的横截面积A：,i,r,t,关于反射率和透射率大于1的讨论：,能流W=光强度I*光束的横截面积A：,i,r,t,关于反射率和透射率大于1的讨论：,能量W=光强度I*光束的横截面积A：,i,r,t,例 一圆极化波从空气中以布儒斯特角入射到参数为r = 1，r = 5， = 0的介质表面上。(1)求反射系数，并说明反射波的极化；(2)求透射系数，并说明透射波的极化。,解：任意圆极化波总包含垂直分量和平行分量。 (1) 反射系数：由于电磁波以布儒斯特角入射，所以0。,反射波为线极化波,(2) 透射系数：,透射波为椭圆极化波,分解成垂直极化波和水平极化波,6.4 均匀平面波对理想导体分
9、界面的斜入射,写出波的表达式,利用边界连续或已有公式,6.4.1 垂直极化波对理想导体表面的斜入射,垂直极化均匀平面波从理想介质斜入射到理想导体表面。,显然此时发生全反射。可以这样得到：入射波电场平行于分界面，为切向分量，导体内电场为零，所以入、反波电场之和为零，即反射系数1。在介质空间得到的合成波为：,6.4 均匀平面波对理想导体分界面的斜入射,合成波振幅在垂直于导体表面的方向（z向）呈驻波分布合成波沿平行于分界面的方向（x向）传播（即为行波），传播方向没有电场分量，只有磁场分量，称为TE波（或横电波）等振幅面平行于分界面，等相位面垂直于分界面，合成波为非均匀平面波,在合成波的电场在 处为零
10、点。在这些位置处插入平行于分界面的导体板，不会改变此导体板与原理想导体之间的场分布，其间电磁波以TE波形式沿x方向传播，形成平行板波导,完纯导体表面垂直极化入射时的合成波,6.4.2 平行极化波对理想导体表面的斜入射,平行极化均匀平面波从理想介质斜入射到理想导体表面。因为,合成波：,合成波沿平行于分界面的方向（x向）传播（即为行波），传播方向没有磁场分量，只有电场分量，称为TM波（或横磁波）,完纯导体表面平行极化入射时的合成波,合成波为非均匀平面波。,合成波振幅在垂直于导体表面的方向（z向）呈驻波分布,2019/8/7,谢谢！ 欢迎批评指正！,光学薄膜的应用,光在通过分层媒质时，来自不同界面的
11、反射光、透射光在光的入射及反射方向产生光的干涉现象，人们正是利用这种干涉现象，通过改变材料及其厚度等特性来人为的控制光的干涉，根据需要来实现光能的重新分配。,光学薄膜的应用,光学薄膜在光学系统中的作用：,提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。,实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。,通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。,实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等,光学薄膜的应用,目前光学薄膜两个重要的应用领域：,光通信：以DWDM(dense wavelengh division
12、multiplexer)filter为代表的光无源器件,信息显示技术：LCD、LCOS投影显示技术,光学薄膜的应用,光学薄膜在液晶投影显示中的应用,高效率的减反射膜与高反射膜,冷光镜及红外、紫外截止滤光片,偏振光转换用膜,分色与合色光学薄膜,液晶投影显示系统中，几乎所有的典型的光学薄膜都得到了应用。-唐晋发,光学薄膜的应用,WDM：,二、光学薄膜的应用,WDM filter 工作原理,WDM就是指从光域上用波长复用方式来改进传输效率，提高复用效率。其突出优点为“能在一根光纤中同时传输不同波长的几个甚至成百上千个光载波信号，不仅能充分利用光纤的带宽资源，增加系统的传输容量，而且还能提高系统的经济效益。,
