1、第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院1/120第1章 薄膜光学基础知识什么是光学薄膜？光学薄膜的主要应用光学的本性及其描述光的偏振及其表征（S光和P光）光的干涉原理光学薄膜的基本原理第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院2/120光学薄膜器件第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院3/1201、光学薄膜的发展历史、光学薄膜的发展历史 人类最早发现的五光十色的肥皂泡；水面上彩色斑烂的油膜；两玻璃片间的空气层中常呈现出色彩鲜艳的光环；所有这些现象早在十七世纪就引起了许多自然科学家的注意，他们各自部提出了一些初
2、步解释，但均不令人满意；1801年托马斯 杨干涉实验结果以及菲涅耳对此进一步发扬光大以后，上述现象才彻底为人们弄清，物理光学的基础才从此建立起来今天我们可以说，整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉干涉。第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院4/120 夫琅和费早在1827年制成了可以说是第一批减反射膜，他将经过精细地抛光的平面玻璃一半放在浓硫酸或浓硝酸中腐蚀。将玻璃上的酸液清洗干净之后发现，经酸腐蚀的表面所反射的光强远低于另一半表面的反射光强，即酸经过的那部分玻璃表面失掉了某种成分，形成薄薄一层折射率比玻璃基底折射率低的失泽层，不过玻璃还未遭刻蚀；“因为其适时光仍和
3、另一半表面一样(实际上更高)，以致在透射光中仔细检查也不能找出它们的分界线来，”经过硫酸或硝酸的这种处理之后，有些牌号的玻璃表面呈现美丽鲜艳的色彩；使光沿各种不同的角度入射，则色彩婉如肥皂泡一样变幻无穷。第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院5/1201886年瑞利在英国皇家协会报告说：“失泽”的冕玻璃平板，其反射比刚抛光更低原因是玻璃形成了薄薄的一层膜。1891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）在它的文章中写到，在使用几年后的普通物镜的火石玻璃透镜上“失泽”现象是十分明显的。我们很高兴的是，能够使这种火石玻璃的拥有者放心，通常用怀疑眼光看待的这层使玻璃
4、“失泽”的薄膜，却正是观测者的“挚友”，因为它增加了物镜的透射率。第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院6/120事实上，泰勒发展了一种用化学侵蚀产生“失泽”而制作化学减反膜的方法。目前制备光学应用的薄膜的主要方法是真空蒸发法和溅射法，后者在十九世纪中叶就发现了，而前者可追朔到二十世纪初。但在1930年以前，它们不能作为实用的镀膜方法，因为没有获得高真空的真正适用的抽气机，直到1930年出现了油扩散泵机械泵抽气系统以后，制造实用的真空镀膜机才成为可能。第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院7/120 三十年代中期德国的鲍尔和美国的斯特
5、朗先后用真空蒸发方法制备了单层减反射膜，这种简单的减反射膜至今在一般的光学装置上还被大量地应用。折射率为1.52的玻璃敷有折射率为1.38的氟化镁薄膜后，单面的反射损失可从4.2%减少到1.5%左右，例如7块平板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为：T(0.97)780.7%未镀膜：T=(0.92)7=55.7%这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25的透射能量第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院8/12020世纪中期：主要是在薄膜设备的改进与镀膜产品种类以及质量的提高得到了发展，形成了典型的减反射、高反射、滤光片等光学薄膜器件；20世纪末21世纪初光
6、电子技术得到了飞速发展，光学薄膜器件向性能要求和技术难度更高、应用范围和知识领域更广、器件种类和需求数量更多的方向迅速发展；随着数码相机、数码摄像机、背投电视以及光纤通信的发展，光学薄膜产品需求数量巨大，特对是对偏振分束膜、消偏振分束膜、超窄带滤光片、超宽带截止滤光片等复杂膜系的要求越来越高；第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院9/120干涉现象是薄膜光学的起源1801年托马斯.杨干涉实验是其理论基础夫琅和费在1827年制成了第一批减反射膜1873年，麦克斯韦的巨著论光和磁，进一步奠定了薄膜光学的理论基础1930年油扩散泵的出现促进了光学薄膜的发展各种制备技术是
7、光学薄膜发展的保障几乎所有的光学系统、光电系统和光电仪器都离不开光学薄膜的应用，而且到目前为止，也没有发现有别的技术可以取代光学薄膜；第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院10/120薄膜光学发展的三大推动力20世纪60年代的发明的激光器20世纪末光通信波分复用技术(DWDM滤光片）今天，新型微结构功能薄膜的出现给光学与光电子薄膜技术注入新的生命力新概念、新材料、新设计、新方法、新应用第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院11/1202、什么是薄膜光学？薄膜可分成两大部分，第一部分是光学薄膜，第二部分是光学波导及其相应器件；前者的特点
8、是光横穿过薄膜而进行传播；后者的特征是光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传播，对于光学薄膜，在一块基片上淀积五、六十层膜并非罕见，涂镀工艺是比较成熟的；而对光学波导，则膜层层数一般不多，通常仅用一层膜，其镀制工艺仍处在发展初期。本课程讲的是第一种情况。第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院12/120Optical coatings:一般来讲薄膜敷于光学玻璃、塑料、晶体等基底上；Optical layers:光学薄膜的一个特点是分层结构；Optical 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；第第1 1章章
9、 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院13/120 光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向产生光的干涉现象。rtn厚度为波长量级n能够产生干涉作用n,drt第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院14/120薄膜光学的研究对象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。第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院15/120薄膜光学的实质n 光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在光的
10、入射及反射方向产生光的干涉现象;n 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。第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院16/120光学薄膜在光学系统中的作用：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 第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大
11、学物理科学学院17/1203、与光学薄膜有关的产业？镀膜眼镜幕墙玻璃滤光片ITO膜车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件红外膜投影显示第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院18/1204、光学 是关于电磁辐射的产生、传播、接收和显示以及与物质相互作用的应用型科学。第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院19/120电磁波谱电磁波谱可用统一的电磁理论处理各种波长的电磁现象可用统一的电磁理论处理各种波长的电磁现象1 10-10mA可见光：可见光：400700nm第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学
12、物理科学学院20/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院21/120全反射全反射光纤光纤(光导纤维光导纤维)的基本原理的基本原理第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院22/120 人在水上看到人在水上看到物体的像，比实际物体的像，比实际物体位置偏上，感物体位置偏上，感觉水比较浅。觉水比较浅。第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院23/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院24/120有大气，看到太阳更早有大气，看到太阳更早没有大气，将迟一些看到太阳没有大气，将迟一
13、些看到太阳第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院25/120海海市市蜃蜃楼楼光经过不均匀的大气时发生折射，光经过不均匀的大气时发生折射，形成的虚像。形成的虚像。第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院26/120海市蜃楼海市蜃楼 第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院27/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院28/120不经风雨，怎能见到彩虹！不经风雨，怎能见到彩虹！只闻其声，不见其人只闻其声，不见其人衍射是波特有的性质！衍射是波特有的性质！第第1 1章章 薄膜光学基础
14、知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院29/120远古对光学的初步研究远古对光学的初步研究中国：中国：墨经墨经光学光学 知识的最早记录知识的最早记录 光的直线传播小孔成像、平面镜、凹 面镜、凸球面镜中物像关系公元前公元前468376年年 第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院30/120国外：国外：光学光学欧几里德欧几里德 比比墨经墨经 迟迟100年年 平面镜成像平面镜成像 反射角反射角=入射角入射角毕达哥拉斯、德漠克利特、柏拉图、毕达哥拉斯、德漠克利特、柏拉图、亚里士多德亚里士多德十七世纪以前十七世纪以前罗马帝国的灭罗马帝国的灭亡亡黑暗时代黑暗时代培根培根暗示
15、过望远镜的可能性。暗示过望远镜的可能性。Euclid，公元，公元前前330275年年 第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院31/120十七世纪上半叶十七世纪上半叶1608年，荷兰人李普塞发明了第一架望远镜，年，荷兰人李普塞发明了第一架望远镜，显微镜显微镜天文学、航海、生物学、医学天文学、航海、生物学、医学1611年，法国人开普勒年，法国人开普勒 折光学折光学，1621年，荷兰人斯年，荷兰人斯涅耳涅耳，1630年，笛卡儿年，笛卡儿折光学折光学折射定律折射定律1657年年，费马，费马反射和折射定律反射和折射定律 几何光学体系基本形成几何光学体系基本形成 几何光学的建
16、立几何光学的建立折入第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院32/1201672年，牛顿三棱镜色散试验，牛顿环（胡克）年，牛顿三棱镜色散试验，牛顿环（胡克）开创了光谱学的研究开创了光谱学的研究光学和物质结构研究的主要手段光学和物质结构研究的主要手段16681668年，反射式望远镜（牛顿），克服了折射式年，反射式望远镜（牛顿），克服了折射式 望远镜的缺点（色差）望远镜的缺点（色差）几何光学的建立几何光学的建立第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院33/120微粒说和波动说的争论 微粒说牛顿光是由微粒组成的。光微粒遇到介质会受到吸引 成功揭
17、示了折射定律；光在介质中的速度比真空中快。不能解释肥皂泡（薄膜）的色条纹波动光学的建立波动光学的建立牛顿牛顿 第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院34/120牛顿环的发现牛顿环的发现亮亮暗暗“透射性发作透射性发作”与与“反射性发反射性发作作”波动光学的建立波动光学的建立5,3,16,4,2,0为波动光学提供了为波动光学提供了重要手段重要手段第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院35/120波动说波动说胡克、惠更斯胡克、惠更斯 1690年，惠更斯出版年，惠更斯出版论光论光光是介质（以太）中传播的波。光是介质（以太）中传播的波。（惠更斯
18、原理）（惠更斯原理）解释了反射定律，解释了折射解释了反射定律，解释了折射定律（假定光在介质中的传播定律（假定光在介质中的传播速度比空气中更慢）速度比空气中更慢）双折射现象双折射现象惠更斯惠更斯 直到十八世纪，微粒说占统治地位直到十八世纪，微粒说占统治地位第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院36/1201801年，托马斯年，托马斯杨杨双缝干涉双缝干涉波的干涉解释了双缝实验和薄膜颜色。波的干涉解释了双缝实验和薄膜颜色。提出了光是横波提出了光是横波偏振现象偏振现象1818年，法国人菲涅尔年，法国人菲涅尔小孔衍小孔衍射射-波动光学的缔造者波动光学的缔造者从波动说算出了条
19、纹分布从波动说算出了条纹分布充实了惠更斯原理充实了惠更斯原理光是光是“绝对以太绝对以太”中的机械波中的机械波托马斯托马斯杨杨第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院37/1201845年，法拉第年，法拉第光的振动面在强磁光的振动面在强磁场中的旋转场中的旋转1856年，韦伯年，韦伯电荷的电磁单位和静电荷的电磁单位和静电单位的比值电单位的比值=光在真空中的速度光在真空中的速度 将光与电磁现象联系起来将光与电磁现象联系起来波动光学的建立波动光学的建立第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院38/1201865年，麦克斯韦年，麦克斯韦光的电磁理论
20、光的电磁理论麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组222210EEct麦克斯韦麦克斯韦DtBEtDjHc0B1887年，赫兹发现了电磁波年，赫兹发现了电磁波 电磁光学建立电磁光学建立真空中：真空中：222210BBct00299792458 1c 米秒 1832年年,法拉第猜想法拉第猜想:电磁作用可能以波的电磁作用可能以波的形式传播，而且光可形式传播，而且光可能就是一种电磁波动能就是一种电磁波动 第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院39/120量子论和相对论的建立量子论和相对论的建立黑体辐射曲线黑体辐射曲线黑体辐射黑体辐射能量随波长分布能量随波长分布1900年，普朗克的量
21、子假说：年，普朗克的量子假说：某种频率光的能量是以某一最某种频率光的能量是以某一最小单位产生小单位产生成功解释了黑体辐射问成功解释了黑体辐射问题，开始了量子光学时题，开始了量子光学时期期普朗克普朗克第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院40/1201905年，爱因斯坦年，爱因斯坦光在辐射与吸收中均光在辐射与吸收中均以基本单位能量发生以基本单位能量发生光的波粒二象性光的波粒二象性光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应光电效应光电效应Ehhp 爱因斯坦爱因斯坦光同时具有波动和微粒两种特性光同时具有波动和微粒两种特性第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛
22、大学物理科学学院41/120光的电磁场描述第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院42/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院43/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院44/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院45/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院46/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院47/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院48/12
23、0第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院49/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院50/120光的波动方程第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院51/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院52/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院53/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院54/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院55/120第第1 1章章 薄膜光学基
24、础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院56/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院57/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院58/120振幅频率初相位光的电磁波描述表达式振幅、相位、频率和偏振是描述光的四个参量0(,)cos()E r tEt k r 第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院59/120第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院60/120 5、光波的偏振性、光波的偏振性Ev0H5.1横波与偏振：横波与偏振：纵波纵波振动方向振动方向/传播方向，唯一
25、的传播方向，唯一的横波横波振动方向振动方向 传播方向，不唯一的传播方向，不唯一的结论：结论：（1）只有横波才具有偏振性）只有横波才具有偏振性（2）光是横波也具有偏振性）光是横波也具有偏振性第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院61/120二向色性二向色性如墨镜如墨镜,立体电影立体电影,偏振显微镜偏振显微镜 自自然然光光线线偏偏振振偏振片偏振片演示演示定义：定义：具有二向色性材料制成的具有二向色性材料制成的,只允许特定振动方向只允许特定振动方向的光通过的光学器件的光通过的光学器件.-只允许通过某方向的振动只允许通过某方向的振动,而对其垂直方向而对其垂直方向则强烈吸收
26、则强烈吸收.天然材料：少数晶体。例电气石天然材料：少数晶体。例电气石,硫酸碘奎宁硫酸碘奎宁应用应用:无光出射第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院62/120自自然然光光线线偏偏振振偏振片偏振片2.1 光的三种偏振态光的三种偏振态1.自然光：自然光：光矢量具有各个方向的振动光矢量具有各个方向的振动,且各方向振动几率且各方向振动几率相等相等,彼此独立彼此独立(各振幅相等各振幅相等无固定位相关系无固定位相关系)。几何表示几何表示:.021IIIYX定义定义 :I0021II 出自然光通过偏振片的光强变化自然光通过偏振片的光强变化I 0偏振片转动偏振片转动,透射光强不变
27、。透射光强不变。19-2 自然光和线偏振光自然光和线偏振光;马吕斯定律马吕斯定律xIyI0I(由于振动平面的无规则取向由于振动平面的无规则取向,使光矢量具有环绕传播方向的对称性使光矢量具有环绕传播方向的对称性.)产生：产生：举例：阳光、白炽灯、普通光源举例：阳光、白炽灯、普通光源0/21IIIt出射光强/02IIII入射光强第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院63/120-马吕斯定律马吕斯定律2.线偏振光线偏振光-光矢量只限于一个确定的振动方向的光光矢量只限于一个确定的振动方向的光.几何表示几何表示.线偏振光通过偏振片的光强变化线偏振光通过偏振片的光强变化定义定
28、义:-马吕斯定律马吕斯定律A2 cosA1=a0AI0.自然光自然光线偏振光线偏振光I2I11P2P1A2A2Aa1A2P1Pa a a a 2021221CosICosII产生：例：自然光经偏振片后的光，液晶显示的光产生：例：自然光经偏振片后的光，液晶显示的光-入射偏振光振动方向与入射偏振光振动方向与p2透振方向的夹角透振方向的夹角a第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院64/120马吕斯定律马吕斯定律讨论讨论:1.a,021/PP最亮MaxIII122.23,2a21PP 全暗min20II转动偏振片转动偏振片P2,可看到光强由最亮变到全暗可看到光强由最亮变到
29、全暗a aa a2021221CosICosII .自然光自然光线偏振光线偏振光I2I11P2P1A2A3.P1-起偏器起偏器-将非偏光变成线偏光的器件将非偏光变成线偏光的器件 起偏器起偏器检偏器检偏器a2A1A2P1PP2-检偏器检偏器检验光的偏振态的器件检验光的偏振态的器件（偏振片、玻璃、尼科耳等（偏振片、玻璃、尼科耳等）（偏振片、玻璃、尼科耳等）（偏振片、玻璃、尼科耳等）第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第第1 1章章 薄膜光学基
30、础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础
31、知识青岛大学物理科学学院.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科
32、学学院.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化两偏振片的偏振化方向相互垂直两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零光强为零第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院73/1203、部分偏振光、部分偏振光（介于线偏和自然光之间的一种光）（介于线偏和自然光之间的一种光）几何表示几何表示:定义定义:通过偏振片的光强通过偏振片的光强E-各方向振动都有且位相独立，但在某个方向的振各方向振动都有且位相独立，但在某个方向的振动占优势动占优势,关于传播轴成非球对称分布关于传播轴成非球对称分布.mxII
33、 xMyIII产生：例：偏振片吸收不好产生：例：偏振片吸收不好,透射光为部分偏振光透射光为部分偏振光,折射光折射光,反射光反射光.mmMIIIa2cos)(入射光强：入射光强：I0=IM+Imaa22sincosmMPIII透射光强：透射光强：0 minIIMAX自线ICosI212a转动偏振片转动偏振片P2,可看到光强由最亮变到较暗（不是全暗）可看到光强由最亮变到较暗（不是全暗）第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院74/120透振方向相互平行透振方向相互平行第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院75/120透振方向成透振方向成 4
34、5 度度第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院76/120透振方向相互垂直透振方向相互垂直第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院77/1204、圆偏振光（、圆偏振光（P=1）定义定义几何表示几何表示:只有一个只有一个 其大小不变，方向随其大小不变，方向随t转转,E端点轨端点轨 迹为一个圆。（分左旋、右旋）迹为一个圆。（分左旋、右旋）EEzAxAy时间平均效果时间平均效果Ax，Ay完全相关完全相关圆光的产生圆光的产生202/IAIp透射光：2/22/02AAAI入射光：)cos(tAyytAxxcos0AAAyx22022Ayx右旋2左
35、旋2xyA2-同频、同幅、同频、同幅、二垂直线偏光合成二垂直线偏光合成检偏：检偏：I0IP AA/PA/A 不变偏振片转动光强PI第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院78/1202222cos)(xxyAAAaaa2222/2/2/sincoscos2xyxyxyPAAAAAAI干涉：aasincos/xxyyAAAA透射光：220 xyAAI入射光：12222yxAyAx5、椭圆偏振光、椭圆偏振光定义定义t时，一个时，一个 ，大小方向随大小方向随t转，转，端点轨迹为一端点轨迹为一 个椭圆。个椭圆。EEE几何表示几何表示:椭圆光的产生椭圆光的产生zAxAy时间平
36、均效果时间平均效果 Ax，Ay完全相关完全相关2同频、不同幅同频、不同幅 的互相垂直的二线偏光合成的互相垂直的二线偏光合成检偏：检偏：I0IPaPxyAyAxAy/Ax/P转动时转动时IP在在Imax和和Imin间变化间变化。mmMIIIa2cos)(第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院79/120反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 实验和理论表明：实验和理论表明：反射光反射光:S 分量强度较大，分量强度较大，折射光折射光:P 分量强度较大。分量强度较大。以任意角度入射以任意角度入射自然光自然光以任意角入射时以任意角入射时,反射和折射光一般都为部分偏振光。
37、反射和折射光一般都为部分偏振光。.in1n2rS.P|入射面分量入射面分量分解自然光入射sp/:结论结论:反射和折射光的偏振性反射和折射光的偏振性1812年布儒斯特经大量实验发现：年布儒斯特经大量实验发现：-反射光的偏振化程度取决于入射角反射光的偏振化程度取决于入射角i，第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院80/120布儒斯特定律布儒斯特定律1812-起偏角起偏角iB090 riB证证:12nntgiB布儒斯特定律布儒斯特定律BBBCosiSininntgi 12 sin)sin(cossin2022190ninininBBB 证毕证毕折射光反射光自然光自然光以
38、以iB入射入射P分量全部折射分量全部折射-反射光只有反射光只有S分量分量-线偏振光线偏振光.S分量不全反射分量不全反射-折射光有折射光有SP分量分量-部分偏光部分偏光.i0i0n1n2r例：-当当光以某特定光以某特定角角 iB 入射，则入射，则反射反射光为振动垂直于入射面的线偏振光。光为振动垂直于入射面的线偏振光。iBiB.iB.第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院81/120 理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的自然光总能量的7.4%，而约占，而约占85%的垂直分量和的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃
39、中。全部平行分量都折射到玻璃中。为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆的办法。一束自然光以起偏角的办法。一束自然光以起偏角56.30入射到入射到20层平板层平板玻璃上，如图：玻璃上，如图：Bi1.51.51.51.01.01.01.0第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院82/120例题例题3：已知某材料在空气中的布儒斯特角：已知某材料在空气中的布儒斯特角 i0=580，求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率 为为 1.33），求布儒斯特角？该材料对水的相对），求布儒斯特角？该
40、材料对水的相对 折射率是多少？折射率是多少？设该材料的折射率为设该材料的折射率为 n，空气的折射率为，空气的折射率为16.1599.158tan1tan00 ni2 放在水中，则对应有放在水中，则对应有2.133.16.1tan0 水nni003.50 i所以：所以：该材料对水的相对折射率为该材料对水的相对折射率为1.2解：解：1第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院83/120光的双折射光的双折射双折射现象及规律双折射现象及规律1.定义定义:一束光入射一束光入射各向异性介质各向异性介质 晶体被折射为两束的现象。晶体被折射为两束的现象。寻常光（寻常光（o光）光）遵
41、从折射定律的光线遵从折射定律的光线非常光（非常光（e光）光）不遵从折射定律的光线不遵从折射定律的光线演示演示（e光）光）（o光）光）常数常数ooonnnii 1221sinsin非非常常数数eeennnii 1221sinsin（e光）光）（o光）光）第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院84/120方解石晶体的双折射现象方解石晶体的双折射现象第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院85/120光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光光光光光 光光光光 光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光
42、光光光光光光光光光光光光光光光光光光 光光光光光光光光光光光光光光光光光光.oeACDB.eo第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院86/1202.o.e 光的异同光的异同(1)o,e 光皆是线偏振光光皆是线偏振光(2)o,e光的偏振方向不同光的偏振方向不同(3)o光沿各方向传播的速度相同光沿各方向传播的速度相同e光沿各方向传播速度不相同光沿各方向传播速度不相同);(eOEE特例)(incvncvncvee0o（e光）光）（o光）光）Vevo第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院87/120几个关于晶体的概念几个关于晶体的概念1.光轴
43、光轴:当光线沿一方向传播时无双当光线沿一方向传播时无双 折射折射.称称该方向该方向为晶体的光轴为晶体的光轴单晶单晶(方解石方解石石英）石英）双晶双晶(云母云母硫磺）硫磺）3.主截面主截面:光轴与自然晶面法线所组成的平面光轴与自然晶面法线所组成的平面*。推论推论:光轴方向光轴方向-n0=ne v0=ve78010200Eo;光主平面eEe/;光主平面2.主平面主平面:折射光与光轴构成的面折射光与光轴构成的面.三线共面三面重合主平面主截面入射面;e;o;光光入射光e0EE*特例特例:当入射光线在主截面内时当入射光线在主截面内时.光轴光轴第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科
44、学学院88/120单晶中单晶中 o,e 光的波阵面光的波阵面 1.O光波面光波面:的球面半径以光源为圆心的10tR,2.e光波面光波面:正晶体正晶体光轴光轴vevovevonone*以光轴为对称轴以光轴为对称轴,与与“o”波面相切的波面相切的旋转椭球面旋转椭球面负晶体负晶体光轴光轴vovevevonone*波面波面e波面波面o主折射率主折射率第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院89/1205、光的干涉光的干涉1 光的叠加原理光的叠加原理 光传播的独立性：光传播的独立性：两列波在某区域相遇后两列波在某区域相遇后再分开，传播情况与未相遇时相同，互不干扰再分开，传播情
45、况与未相遇时相同，互不干扰.光的叠加性：光的叠加性：在相遇区，任一质点的振动在相遇区，任一质点的振动为二波单独在该点引起的振动的合成为二波单独在该点引起的振动的合成.第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院90/120 频率相同、振动频率相同、振动方向平行、相位相同方向平行、相位相同或相位差恒定的两列或相位差恒定的两列光相遇时，使某些地光相遇时，使某些地方振动始终加强，而方振动始终加强，而使另一些地方振动始使另一些地方振动始终减弱的现象，称为终减弱的现象，称为光的干涉现象光的干涉现象.2 光的干涉光的干涉第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科
46、学学院91/120 波频率相同，振动方向相同，位相差恒定波频率相同，振动方向相同，位相差恒定 例例 水波干涉水波干涉 光波干涉光波干涉 某些点振动始终加强，另一些点振动始终某些点振动始终加强，另一些点振动始终减弱或完全抵消减弱或完全抵消.(2)干涉现象干涉现象满足干涉条件的波称相干波满足干涉条件的波称相干波.(1)干涉条件干涉条件第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院92/120波源振动波源振动)cos(111tAy)cos(222tAy)2cos(1111rtAyP)2cos(2222rtAyP点点P 的两个分振动的两个分振动(3)(3)干涉现象的定量讨论干涉现
47、象的定量讨论1s2sP*1r2r第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院93/120)cos(21tAyyyPPP)2cos()2cos()2sin()2sin(tan122111222111rArArArAcos2212221AAAAA12122rr 定值定值1s2sP*1r2r第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院94/120cos2212221AAAAA合振幅最大合振幅最大当当.3,2,1,02kk 时21maxAAA合振幅最小合振幅最小21minAAA当当12 k位相差位相差 决定了合振幅的大小决定了合振幅的大小.干涉的位相差条
48、件干涉的位相差条件讨讨 论论第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院95/120位相差位相差)2()2(1122rr)12(22221kkrr加强加强减弱减弱称为波程差称为波程差（波走过的路程之差）（波走过的路程之差）21rr 2221rr则则如果如果 即相干波源即相干波源S1、S2同位相同位相12第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院96/120 将合振幅加强、减弱的条件转化为干涉将合振幅加强、减弱的条件转化为干涉的波程差条件，则有的波程差条件，则有当当时（半波长偶数倍）时（半波长偶数倍）合振幅最大合振幅最大krr2121maxAAA
49、当当时（半波长奇数倍）时（半波长奇数倍）合振幅最小合振幅最小 2)12(21krr21minAAA干涉的波程差条件干涉的波程差条件第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院97/120ooB实实 验验 装装 置置1s2sspddddxd杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验rsin12drrr波程差波程差x1r2r dd/tansindx第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院98/120实实 验验 装装 置置ooB1s2ssrx1r2r ddpk dxdr加强加强,2,1,0k2)12(k 减弱减弱第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知
50、识青岛大学物理科学学院99/120(2 1)2xrdkd 相邻明相邻明纹纹（或暗纹）（或暗纹）间距间距dxd(2 1),k0,1,2,3.2dxkd 0 1 2 3dxk,kd，干涉相长，明纹干涉相长，明纹干涉相消，暗纹干涉相消，暗纹xrdkd 第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院100/120(1)(1)一系列平行的明暗相间条纹；一系列平行的明暗相间条纹；(3)(3)条纹特点：条纹特点：(2)(2)条纹等间距；条纹等间距；dxd (4)(4)中间级次低；且中央条纹中间级次低；且中央条纹 为明条纹。为明条纹。（5）用用复色光复色光作实验时，作实验时，各明暗条纹的
