光学半波损失
再论光波的半波损失
再论光波的半波损失作者：曹冬梅来源：《科学与财富》2011年第12期[摘要] 半波损失是大学物理中的重点和难点问题。
本文根据半波损失定义明确了其产生条件，重申了半波损失和附加光程差的区别与联系，最后结合薄膜干涉实例对附加光程差表达式作了针对性的分析。
[关键词] 半波损失薄膜干涉附加光程差引言半波损失问题是很久以来人们一直关注的问题，大量的文献从不同的角度对半波损失问题进行了探讨［1-3］。
由姚启钧原著的光学教材在提到半波损失对等倾干涉和等厚干涉反射光光程差的影响时，认为只要薄膜处于同一介质中，必然有额外光程差，我们在此取负号。
然而在等厚干涉一节的例1.2中却把附加光程差一项取为正号［4］。
在前一部分教材中“规定”附加光程差项取负号，而在例题运算中却取正号，附加光程差一项取正号和负号时有区别吗? 附加光程差与半波损失之间又有怎样的联系？1.半波损失半波损失，就是光在正入射或掠入射的情况下，从光疏（折射率相对小的）介质射向光密（折射率相对大的）介质被反射时，产生相位π的突变，相当于损失半个波长的光程，称为半波损失［5］。
当光从光疏介质射向光密介质，在垂直入射和掠入射时反射光有半波损失现象，我们可以由电磁场理论中的菲涅耳公式予以解释［4］。
当n1＜n2时，无论一束光是垂直入射还是掠入射，在介质界面附近反射光矢量的振动方向都与入射光矢量的振动方向相反，都将出现光矢量在同一点相位突变的情形，即有半波损失发生。
那么对于斜入射，反射光矢量的垂直分量与入射光矢量的垂直分量的振动方向始终相反，但是，平行分量的方向之间却成一定的角度，此时比较它们的相位是没有绝对意义的。
故一般描述为“光从光疏介质入射到光密介质反射时具有半波损失”，这样很容易理解为：不管入射角为多少，只要光从光疏介质入射到光密介质,反射光矢量与入射光矢量就有相位突变π,相当于反射时产生了半波损失，似乎半波损失产生条件与入射角无关。
事实上半波损失的产生，不仅取决于界面两侧介质的折射率，还取决于入射角的大小［6］。
半波损失的条件
目录半波损失定义半波损失理论的应用半波损失的原因定义光从光疏介质射向光密介质时反射过程中，如果反射光在离开反射点时的振动方向相对于入射光到达入射点时的振动方向恰好相反，这种现象叫做半波损失。
从波动理论知道，波的振动方向相反相当于波多走（或少走）了半个波长的光程。
入射光在光疏媒质中前进，遇到光密媒质界面时，在掠射或垂直入射2种情况下，在反射过程中产生半波损失，这只是对光的电场强度矢量的振动而言。
如果入射光在光密媒质中前进，遇到光疏媒质的界面时，不产生半波损失。
不论是掠射或垂直入射，折射光的振动方向相对于入射光的振动方向，永远不发生半波损失。
光的干涉现象是有关光的现象中的很重要的一部分，而只要涉及到光的干涉现象，半波损失就是一个不得不考虑的问题。
光在不同介质表面反射时，在入射点处，反射光相对于入射光来说，可能存在半波损失，半波损失可以通过直观的实验现象——干涉花样——来得到验证。
半波损失理论的应用半波损失理论在实践生活中有很重要的应用，如：检查光学元件的表面，光学元件的表面镀膜、测量长度的微小变化以及在工程技术方面有广泛的应用。
半波损失的原因在洛埃镜实验中，如果将屏幕挪进与洛埃镜相接触。
接触处两束相干波的波程差为零，但实验发现接触处不是明条纹，而是暗条纹。
这一事实说明洛埃镜实验中，光线自空气射向平面镜并在平面镜上反射后有了量值为∏的位相突变，这也相当于光程差突变了半个波长。
光在反射时为什么会产生半波损失呢？这是和光的电磁本性有关的，可通过菲涅耳公式来解释。
在任何时刻，我们都可以把入射波、反射波和折射波的电矢量分成两个分量，一个平行入射面，另一个垂直入射面。
有关各量的平行分量和垂直分量依次用指标p和s表示。
以i1、i1´ 和i2分别表示入射角、反射角和折射角，它们确定了各波的传播方向。
以A1、A1´、A2来依次表示入射波、反射波和折射波的电矢量的振幅，它们的分量相应就是Ap1、Ap1´、Ap2和As1、As1´、As2。
4.4-反射光在反射点产生的相位跃变--半波损失PPT
1.反射光的位相变化
光在介质表面发生反射时有两种情况：
外反射 ：光由光疏介质射入光密介质时发生的反射 内反射 ：光由光密介质射入光疏介质时发生的反射
1).外反射
（1）P分量的相位变化。
对于外反射， n1n2, i1i2
且i1 和i2 都小于/2
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由菲涅耳公式：
a. 当 0i1iB时 ，i1即 i22时
tgi1i20，则 rp 0 无相位跃变。
b. 当 iBi12时 ，i1即 i22时
tgi1i20，则
rp0
p
反射光的P分量发生相位 跃变。
iB
2
i1
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(2)反射光中S分量的相位变化
对于外反射,由
rS
AS1 As1
ssiinnii11ii22
介质这种反射叫作光的全反射，或叫作光的全内 反射。
本节结束
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四、全内反射 临界角
若光在两介质界面上反射 时的物理性质相同(物理性 质相同是指上下两个面都是 d 是外反射，或着都是内反射)
即 n1n2n3 或 n1n2n3
D1
2 n1
A
C
n2
ห้องสมุดไป่ตู้
B
n3
1
2
两反射相干光1、2之间不产生/2的附加光程差。
两透射相干光1、2之间将产生/2的附加光程差。
四、全内反射 临界角
外反射：光从光疏媒质入射到光密媒质。
因此， rp 0 P分量发生的相位跃变。
b. 当tgiiB1ii120i， c时， tgi即 1i1 i2i202， 时
因此 rp 0
半波损失PPT课件
薄膜干涉应用 2
增透膜
一、为什么在光学镜头上涂一层透明薄膜来增加透射度呢?
现代光学装置，如摄影机、电影放映机的镜头、潜 水艇的潜望镜等，都是由 许多光学元件棗透镜、棱 镜等组成的．进入这些装置的光，在每一个镜面上 都有一部分光 被反射，因此只有10～20％的入射光 通过装置，所成的像既暗又不清晰．计算表明，如 果一个装置中包含有六个透镜，那么将有50％的光 被反射．若在镜面上涂上一层透明薄膜，即增透膜， 就大大减少了光的反射损失，增强光的透射强度， 从而提高成像质量
3 .测量牛顿环的直径使干涉圆环中心在视场中央，仔 细观察干涉条纹的特点。
4 .读数显微镜的读数方法
主尺的分度值为1mm，测微鼓轮共有100个刻度，其份度值为 0.01mm，可估读到0.001mm。
主尺 15mm
最后读数为：15.506mm
测微鼓轮 0.506mm
注意事项
1.在测量时，读数显微镜的测微鼓轮应沿一个方向转动，中途 不可倒转。
2.环数不可数错，在数的过程中发现环数有变化时，必须重测。 3.测量中，应保持桌面稳定，不受振动，不得触动牛顿环装置， 否则重测。
等厚干涉：当光线垂直入射于薄膜的表面时，干涉的 公式简化为：
2n2d
2
k
(2k
1)
2
k=1,2,3…… 干涉加强 k=1,2,3…… 干涉减弱
例1、空气中的肥皂泡厚度320nm,介质的折射率n=1.33。 从正上方看哪个波长的光可以呈现出极大？
其原因是透镜不平板玱璃接触时由亍接触压力引起形变使接触处为一圆面而圆面的中心徆难定准因此r镜面上可能有灰尘等存在而引起一个附加厚度从而形成附加的光程差这样绝对级数也丌易定准
光学论文-浅析光在介质表面反射时的半波损失
学年题目：浅析光在介质表面反射时的半波损失姓名：苌瑞广学号：201205010019院系：物理与机电工程学院专业：物理学年级班级：2012级（1班）指导教师：李绍峰2015年6月20日学年论文（设计）作者声明本人郑重声明：所呈交的学年论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。
同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描等方式进行保存、摘编或汇编；同意本论文被编入有关数据库进行检索和查阅。
本毕业论文内容不涉及国家机密。
论文题目：作者单位：作者签名：年月日目录摘要 (1)引言 (1)1.半波损失定义 (1)2. 菲涅尔公式对半波损失的解释 (2)2.1 菲涅尔公式 (2)2.2 由菲涅尔公式分析入射光与反射光和透射光的变化关系 (3)3. 劳埃德镜实验分析 (5)3.1 劳埃德实验 (5)3.2 劳埃德镜实验条件 (5)3.3 实验分析 (6)4. 维纳驻波实验分析 (7)4.1 维纳驻波实验 (7)5. 对半波损失的诠释 (8)6. 结束语 (9)参考文献 (9)浅析光在介质表面反射时的半波损失摘要：以菲涅尔公式为基础并结合劳埃德镜实验和维纳驻波实验的结论分析，分别通过电磁矢量以及光强的比较来分析光在介质表面反射的半波损失现象。
关键词：菲涅尔公式；劳埃德镜实验；维纳驻波实验；电磁矢量；半波损失The light in The Medium Surface Reflection of Shallow Half WaveLossAbstract: The Fresnel formula based combined with Loyd's mirror experiment and the Wiener standing wave experiment results analysis, respectively through the electromagnetic vector and intensity compared to analyze light reflected from the surface of the medium, the half wave loss phenomenon.Keywords: Finel formula；Lloyd mirror experiment；Wiener standing wave experiment；Electromagnetic vector；Half wave loss引言在平时常用的大学生光学教材中[1],对于光在介质的分界面上传播时,反射光是否出现半波损失现象,通常描述为“光从光疏介质入射到光密介质时,反射光的相位较之入射光的相位跃变了,即产生了半波损失”。
波动光学 解释半波损失
波动光学解释半波损失
波动光学是研究光在经过光学元件（如透镜、棱镜等）或经过光学系统（如望远镜、显微镜等）时的行为和性质的一门学科。
半波损失是指当光波通过一个光学元件（如光纤、波导等）时，由于波导的特定结构或形状，导致波导内部的光波在传播过程中发生两次半波（180°）的相位延迟，从而造成光波的损耗。
这种损耗主要发生在光波进入波导之后，在波导的两个边界之间来回传播。
当光波在第一次传播中遇到第一个边界时，它会发生一次相位翻转；当光波在第二次传播中遇到第二个边界时，它会再次发生一次相位翻转。
由于两次相位翻转的叠加效应，导致前后两个边界之间的光波相位发生半波的相位差。
半波损失造成了光波的能量损失，导致光的强度减弱。
在一些光学应用中，如光通信系统和光学传感器中，半波损失是需要被尽量降低的，以确保光信号的传输质量和检测精度。
为了减小半波损失，可以采取一些措施，如改变波导的结构或形状，优化光波的传播路径，使用光学材料的特殊设计等。
此外，还可以采取一些光学设计方法，如斯特恩-格拉芙轨迹、
布儒斯特角等，来优化光波的传播和折射过程，从而减小半波损失。
半波损失
§12.2分振幅的干涉（一） 薄膜反射光的干涉如（图12.2a ），一束平面光在透明薄膜上下两表面反射成两束光，让它们叠加在一起（例如用透镜会聚在一起）时，可满足相干条件。
它们的光程差L ∆可计算如下：()AE n BC AB n L 12-+=∆321n n n <<或321n n n >> （12.2.1）()212λ+-+=∆AE n BC AB n L 321n n n ><或321n n n <> （12.2.2）半波损失的情况比较复杂，本教材只按正入射和掠入射的情况列式1[1]。
如果折射率321n n n <<，则薄膜上下两表面的反射光都有半波损失；如果折射率321n n n >>，则上下两表面的反射光都没有半波损失。
因此，在（12.2.1）式中对这两种情况计算光程差时，都不计半波损失。
如果折射率321n n n ><或321n n n <>，则薄膜上下表面的两反射光中，一个有半波损失，另一个没有半波损失。
因此，在（12.2.2）式中计算这两种情况的光程差时，都应计算半波损失。
在（图12.2a ）中，入射光对上表面的入射角与折射角为i 与r 。
由于C 与A 两点很靠近，此处薄膜上下表面可近似看成是平行的，因此，此光束对下表面的入射角可用r 表示。
设此处的薄膜厚度为e ，则可用e 、i 、r 诸量表示（12.2.1）式的光程差L ∆。
计算如下：r e BC AB cos ==，etgr AC 2=，i etgr i AC AE sin 2sin ==。
∴ ()i r n n r e i e t g r n r e n L s i n s i n c o s 2s i n 2c o s 22212-=-=∆。
将折射定律表式r n i n sin sin 21=代入上式，消去i sin 或r cos 得：()r en r n n r e L cos 2sin cos 22212=-=∆ （12.2.3） i n n r n n r n r n 2212222222222sin sin sin 1cos -=-=-= （12.2.4）将（12.2.3）式代入（12.2.1）及（12.2.2）式，并参考（12.1.18）式，可写出薄膜干涉(12.2.5) (12.2.6) 由于薄膜厚度e 不为负值或零，故k 与k '1[1] 赵凯华、钟锡华《光学》上册256页，1984年版。
光的半波损失原理的解释
光的半波损失原理的解释光的半波损失（Half-Wave Loss）通常是在光学系统中讨论的一个概念，主要涉及到光波的反射和传输过程中的相位差问题。
这一概念涉及到光波的干涉和相位差的概念。
基本原理解释：1.相位差：光波在介质之间反射或透射时，由于折射率的不同，可能引起相位差。
相位差是波峰或波谷之间的相对位移，通常以波长（λ）的倍数来表示。
2.半波损失：当光波从一个介质传播到另一个介质时，如果反射界面的折射率差刚好是波长的一半（λ/2）或其整数倍，就会发生半波损失。
在这种情况下，反射波与透射波的相位差是λ/2，导致它们在某些方向上相互抵消，形成波的干涉，造成反射波减弱或完全抵消。
3.反射和透射：当光波从一个介质射向另一个介质时，一部分光波会反射回原来的介质，而另一部分会透射到新的介质。
这两部分光波的相位差决定了它们的叠加效果。
4.最小反射和最大透射：当反射波和透射波相互干涉时，如果相位差为λ/2或其整数倍，就会出现最小反射。
如果相位差为奇数倍的λ/4，则会出现最大透射。
这是典型的半波损失情况。
应用和注意事项：•薄膜涂层：半波损失原理在光学涂层设计中是一个关键的概念。
通过合理设计涂层的厚度和折射率，可以最小化反射，提高光学元件的透明性。
•多层膜：多层膜的设计可以利用半波损失原理，使得多层膜的反射率在某个波长范围内趋近于零。
•注意相位差：在设计光学系统时，特别是涉及到多个光学元件的系统中，需要注意光波的相位差，以避免意外的干涉效应。
总体而言，半波损失原理是光学设计和涂层技术中的一个基本概念，通过理解和合理利用这一原理，可以优化光学系统的性能。
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1菲涅耳公式
电磁波通过不同介质的分界面时会发生反射和折射。
在电动力学中将讲到入射、反射和折射三束波在分界面上振幅的大小和方向的关系。
这一关系可由菲涅耳公式表达出来。
上在反射过程中发生半波损伤问题也可以用菲涅耳公式解释。
在任何时刻，我们可以把入射波、反射波和折射波的电矢量分成两个分量，在平行于入射面，另一个垂直于入射面。
平行分量与垂直分量分别用下标p 和s 来表示。
以1i 、'1i 和2i 分别表示入射角、反射角和折射角，它们确定了各波的传播方向。
以2'11A A A 和、来依次表示入射波、反射波和折射波的电矢量的振幅，它
们的分量相应就是pl A 、'pl A 、2p A 和sl A 、'sl A 、2s A 。
由于三个波的传播方向各不
相同，必须分别规定各分量相应的某一个方向作为正方向。
这种规定当然是任意的，但是只要在一个问题的全部讨论过程中始终采取同一种正方向的选择，由此得到的各个关系式就具有普遍的意义。
在传播过程中，电矢量的方向是在不断变化的，我们关注的仅是反射、折射发生瞬间的变化，所以菲涅耳公式所表示的有关各量的方向都是指紧靠两介质分界面O 点处而言的。
菲涅耳公式包括下列四式：
1s A 1p A 2p A 2s A
'1p A '1s A 1i 1i 2i O
)4()cos()sin(cos sin 2)3()
sin(cos sin 2)2()
tan()tan()1()
sin()sin(2211212
21121221211'1
21211'11 i i i i i i A A i i i i A A i i i i A A i i i i A A p p s s p p s s -+=+=+-=+--=
式（1）（2）表示反射波的两个分量和入射波两个对应分量之比；（3）（4）两式表示折射波和入射波两个对应分量之比，振动方向的变化则由正负号来决定。
应当注意各分量最值之比是相对于入射波来计算的，但振动方向则分别按照各波的上述规定，不是直接相对于入射波作比较（s 分量还可比较，p 分量则无法按照简单地用正负号来直接表示出各波之间的振动方向）
通常对入射波来说，可以认为1s A 和1p A 两分量的振动方向都是正的且值相等。
这是因为通常的热光源所发出的光，在垂直于传播方向的平面（波面）内，电矢量（以及磁矢量）可以沿任意方向振动，这些振动中的每一个矢量都在毫无规则且非常迅速的改变着。
我们观察到仅是它们的平均值。
因此这两个分振动的平均能量为：
2202212202212
1cos 2121sin 21A d A I A d A I p s ====⎰⎰ααπααπππ 由此可知2121p s A A =
既然入射光各振动分量都看做是正的，那么菲涅耳公式的符号，可以认为只是对反射和折射光而言。
反射光和折射光都是在入射点突然改变传播方向，因此，一般地说，电矢量也将在这点突然改变方向。
它不能简单地用入射光相位怎样改变来说明（因为正负仅是相对于各自规定的正方向而言），而要通过菲涅耳公式及有关的符号来分析。
这样，既可以解释一束光从光疏介质垂直入射或掠射时反射光相对于入射光的“半波损失”问题，又可以解释两束在不同情况下的反射光之间“额外光程差”问题。
至于符号到底是否改变，取决于入射角和反射角的大小。
即分别取决于式（1）和式（2）。
2 半波损失的解释
现在用菲涅耳公式来解释半波损失问题。
在劳埃德镜实验中，光从空气入射到玻璃，即112≈>n n 。
由折射率定律2211sin sin i n i n =，知道21i i >，由于是掠入射入射角901≈i °，9021>+i i °，令入射光中的1s A 、1p A 均取正值，所以从（1）
式得0'1<s A ；从（2）式可得0'1<p A 。
在901≈i °
的掠入射情况下，入射光和反射光的传播方向几乎相同，他们的波面Ⅰ和Ⅱ几乎平行。
此时，对'1p A 和1p A 规定
放的正方向相同，由于在无限靠近界面处的反射光中电矢量的两个分量都取负值，而且满足11
'11'1
==s s p p A A A A ，它们的合矢量几乎与这里入射光的合矢量方向相反。
在波的传播过程中，通常是每隔半个波长，振动矢量的方向相反。
现在则是在同一地点（界面上的入射点），而不是相隔半个波长处，仅仅是由于发生了反射，振动方向就相反了，所以称为半波损失。
（这是对电矢量说的，根据H E 、和传播方向三者之间所构成的右手螺旋关系可知，磁矢量在这种情况下也同样产生半波损失）。