薄膜干涉中的半波损失问题处理方法浅探
小议半波损失问题

小议半波损失问题作者:张石定;牛兴平来源:《价值工程》2010年第31期摘要: 从菲涅耳公式出发,讨论半波损失问题。
就前人发表的文章和教科书阐明该问题,以便更好的服务教学。
Abstract: Discussing the problems of Half-wave loss from Frenel's formula. According to the published articles and textbooks, we expound this problem to service teaching much better.关键词: 半波损失;菲涅耳公式;薄膜干涉Key words: Half-wave loss;Frenel's formula;interfence of thin film中图分类号:G42文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)31-0258-020引言在《大学物理》中数次提到“半波损失”问题。
主要是机械波的半波损失、电磁波包括光波反射时,在反射面处反射波相位突变。
但在《大学物理》教学中还有很多含糊之处,习惯于把半波损失简单表述为:“波(光)在空间传播时,由波(光)疏媒质到波(光)密媒质反射时有半波损失,反之则没有”;对于在薄膜上下表面,“当薄膜折射率与其上下方媒质的折射率关系是依次增大或减少(即n1>n2>n3)时没有半波损失,而当薄膜折射率同时大于或小于其上下方的媒质的折射率(即n1n3或n1>n2本文从菲涅耳公式出发,阐明半波损失问题。
和前人发表的文章、教科书内容相对照,使该问题更加明了。
1菲涅耳公式在波(光)传播过程中,E的方向不断变化,我们仅仅考虑反射、折射时刻的变化。
如右图1所示,入射光Ei 分解为Ei//和Ei⊥,反射光Er 分解为Er//和Er⊥,折(透)射光Et分解为Et//和Et⊥,两种介质的折射率分别为n1和n2。
薄膜干涉中半波损失问题的讨论

薄膜干涉中半波损失问题的讨论作者:喻国华来源:《物理教学探讨》2014年第10期摘要:半波损失的理论解释以及发生半波损失的条件就因为情况很多而难以理解,而几何光程差后面附加的λ/2(额外光程差)这一项理解起来也很困难,不同的教材对于它前面的“±”号的取法不同,这让笔者误以为无论取值正负对于结果都没有影响,但经过求证笔者才知道这是错误的,正负值的取法是因情况而定的。
本文将对半波损失的理论解释和发生以及附加光程差的具体表现形式进行分析讨论。
关键词:半波损失;薄膜干涉;额外光程差中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2014)10(S)-0039-31 引言在薄膜干涉中,半波损失和额外光程差占其中很大的成分,但是至今仍然没有文献系统的分析总结半波损失的发生条件以及额外光程差的计算问题,就算有也是粗略的概括下结论,没有对过程做过详细的介绍和推导。
在半波损失问题的讨论中,菲涅尔公式是最被常用的,也有少数人利用它做了一些有关半波损失的推导,本文将主要利用菲涅尔公式来总结半波损失发生过程和条件。
2 半波损失2.1 “半波损失”的理论解释“半波损失”,就是光在反射过程中产生了π相位差,使光在传播过程中多走或少走了半个波长,所以就发生半波损失。
2.2 “半波损失”发生与否的分析由maxcwell电磁场理论我们可以知道,在光的传播过程中,入射波、反射波、折射波的振幅矢量、、沿平行于入射面方向的分量和沿垂直于入射面方向的分量之间满足一种数学关系,也就是菲涅尔公式:E' E =-sin(i-r)sin(i+r)(1)E' E =-tan(i-r)tan(i+r)(2)E E =2sinr*cosi*sin(i+r)(3)E E =2sinr*cosi*sin(i+r)cos(i-r)(4)注释:其中i、r为入射角和折射角,E' 是反射波的振幅矢量垂直于入射面方向上的分量;E 表示入射波的振幅矢量垂直于入射面方向上的分量;E' 是反射波的振幅矢量平行于入射面方向上的分量;E 是折射波的振幅矢量平行于入射面方向上的分量。
薄膜干涉半波损失

薄膜干涉半波损失
薄膜干涉半波损失是指在光学薄膜中,由于光的干涉效应导致光波的相位差,进而引起光的强度损失。
这种损失通常是由于薄膜中反射和透射光之间的相位差所引起的,是光学薄膜制备和应用中需要注意的一个重要问题。
光学薄膜是指在光学器件中使用的非常薄的光学材料层,其厚度通常在几个波长范围内。
这些薄膜可以用于许多光学应用,如反射镜、透镜、光滤波器、光学波导和光学传感器等。
然而,在这些应用中,薄膜干涉半波损失可能会导致光学性能下降,影响器件的性能。
薄膜干涉半波损失的原因是光在薄膜内部发生的干涉效应。
光在薄膜中反射和透射时,会受到相位差的影响。
当光的波长和薄膜厚度相等时,反射光和透射光之间的相位差为半波长,这会导致光的强度损失。
这种损失可以通过调整薄膜的厚度、材料和设计来消除或减少。
在光学薄膜设计和制备中,薄膜干涉半波损失是需要考虑的一个重要问题。
为了减少这种损失,可以采用一些设计方法和制备技术。
例如,可以选择合适的材料和薄膜厚度,使得反射和透射光的相位差不是半波长。
此外,还可以采用多层薄膜结构,利用多层薄膜之间的相位差来减少半波损失。
在实际应用中,薄膜干涉半波损失可能会对器件的性能产生重要影响。
例如,在光学传感器中,由于薄膜干涉半波损失的影响,可能会导致传感器灵敏度下降。
因此,在设计和制备光学器件时,需要充分考虑薄膜干涉半波损失的影响,采取适当的措施来减少这种损失。
总之,薄膜干涉半波损失是光学薄膜制备和应用中需要注意的一个重要问题。
了解薄膜干涉半波损失的原因和影响,采取适当的设计和制备措施,可以减少或消除这种损失,提高光学器件的性能。
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]。
薄膜干涉中的半波损失与薄膜厚度

薄膜干涉中的半波损失与薄膜厚度张厚石摘要本文阐述了薄膜干涉中增透膜的增透过程,指出了学生在知识整理中因忽视半波损失而对皂液薄膜厚度产生的错误认识,分析了学生学习中容易出现错误的原因,提出在教学中值得注意的问题.学生在对水波干涉、光的双缝干涉及薄膜干涉学习后,知识体系在学生的头脑中已初步形成.然而在对知识进行整理和再认识的过程中,自然会遇到许多问题,如皂液薄膜干涉中的薄膜厚度问题,干涉中的能量传递问题等.在解决薄膜厚度问题时,无法回避“半波损失”的概念,所谓光波的半波损失是指:当光波被光密介质反射时,反射波的相位要发生π的突变.一、增透膜中的半波损失如图1所示为增透膜示意图,其中n0、n1、n2分别表示空气、膜层和玻璃的折射率.当入射光线S A入射到薄膜时,由于光线在膜内的多次反射,将分裂成功率递减的1、2、3…等各条反射光线和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ…等各条透射光线.若薄膜上下两面互相平行,则反射光线和透射光线将组成两平行光线组.图11.反射光组中的半波损失对增透膜而言n0<n1<n2(如空气的折射率n0=1,MgF2的折射率n1=1.38,冕牌玻璃的折射率n2=1.52),光线在由空气进入薄膜(光线由光疏到光密介质),和由薄膜进入玻璃时,上下两面反射均出现半波损失,即产生相位π的突变.因此,反射光组1、2、3…中由于反射引起的相位差为零.如果相邻两反射光互相抵消,则有光程差Δ=2dn1cosγ=(k+(1/2))λ0,其中λ0为光在空气中的波长,d为薄膜的厚度,γ为光在薄膜中的折射角,k=0,1,2,3….当光线SA正射薄膜时,γ=0,则Δ=2dn1=(k+(1/2))λ0,n1d=(k+(1/2))λ0/2,又n1=λ0/λ1,所以薄膜厚度为d=((2k+1)/4)λ1,当k=0时,d=λ1/4,即增透膜薄膜厚度为入射光在薄膜中波长的1/4.2.透射光组中的半波损失由于反射光组1、2、3…的互相抵消,就大大减少了反射光组的能量.同样因为n0<n1<n2,所以光在薄膜中连续两次反射时,只在薄膜下表面出现半波损失,产生相位π的突变.直接由薄膜下表面透射的光(如光线Ⅰ)与在薄膜中连续两次反射后再透射的光(如光线Ⅱ),由于反射引起的相位差为π,同理可知在透射光组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ…中相邻两透射光线由于反射引起的相位差均为π.当反射光线1、2、3…互相抵消时,透射光线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ…中相邻的两透射光线的光程差也为(光线正射时):Δ=2dn1,再加上相位差π或附加光程差±λ0/2(在此可取+λ0/2),所以相邻的两透射光线将是互相加强,从而使透射光的能量也得以加强.在增透膜实现增透的过程中不难发现:反射光组1、2、3…的互相抵消与透射光组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ…的互相加强形成了互补效应,体现出干涉效果只是将能量重新分配,而总能量仍然守恒.二、皂液薄膜干涉中的半波损失1.学生理解上的偏差“增透膜”是“薄膜干涉”知识的应用,学生在学完增透膜的内容后,对薄膜干涉现象的认识将会出现反复.在增透膜的增透过程中,“当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的1/4时,在薄膜的两个面上反射的光,光程差恰好等于半个波长,因而互相抵消.”[1]在前面“双缝干涉”的学习中,我们知道:“在屏上距两个狭缝的光程差是半个波长的奇数倍处出现暗条纹.”[2]根据如图2所示的皂液薄膜干涉模型,学生在判断出现暗纹处的薄膜厚度d时,依据上述两种情形的结论认为:当皂液薄膜前后两表面反射回来的两反射光的光程差Δ=(k+(1/2))λ时(其中λ为光在皂液中的波长,k=0、1、2、3……),两反射光也互相抵消,从而得出“当薄膜厚度d=((2k+1)/4)λ处(如图2所示),两反射光互相抵消,形成暗条纹”这一错误结论.图22.引起学生理解偏差的原因(1)“相干”过程不清造成这一错误的原因之一是:学生缺乏一定的知识基础,没有考虑到薄膜反射中的半波损失问题.由于皂液薄膜的两侧均是空气,光在经过皂液薄膜前一面反射时会出现半波损失,产生的相位差为π,而经过皂液薄膜后一面反射时不会出现半波损失,当皂液薄膜厚度恰好为d=((2k+1)/4)λ时,两反射光的光程差虽为半个波长的奇数倍,但加上由于皂液薄膜一面反射时产生的相位差π或附加光程差±λ/2,恰使两反射光互相加强,形成亮条纹(“空气薄膜”干涉中也存在类似问题).比较“皂液薄膜”与“增透膜”相干的过程,可以看出:由于光线在MgF2薄膜前后两面反射均出现半波损失,因而反射引起的相位差为零.而光线在皂液薄膜前后两面反射时只在前一面出现半波损失,反射引起的相位差为π.虽然薄膜厚度均为1/4个波长的奇数倍,但现象却是一个互相抵消,一个互相加强,结果截然相反,这一点在教学中应引起广大师生的注意.(2)教材的误导造成学生认识上错误的另一原因是:教材在前后处理“双缝干涉”和“增透膜”的机理中,引入了“光程差”的概念,对相干问题加以量化处理,两次涉及出现暗纹的条件,强化了“光程差为半个波长的奇数倍”这一条件,而在“皂液薄膜干涉”及“空气薄膜干涉”中却回避了“光程差”的问题.然而学生在知识的整理及再认识过程中,考虑到皂液薄膜的厚度与暗亮条纹间的关系问题,是学生实施思维迁移的必然,而迁移的结果却导致了认识上的错误.究其原因,教科书在编写上有不妥之处,既然在“皂液薄膜干涉”中由于半波损失而回避了光程差及薄膜厚度问题,那么在“增透膜”中也应回避此类问题,这样才能保证教材前后的连续性和完整性,才能有利于学生系统地把握知识,更有利于学生思维的正向迁移.参考文献1 人民教育出版社物理室.高级中学课本,物理(第二册).人民教育出版社,19952 张阜权,孙荣山,唐伟国.光学.北京师范大学出版社,19853 孙自文.增透膜教学要讲清四点.中学物理教学参考,2000(4)4 彭生标.剖析肥皂膜成像分析的一种错误.中学物理,2000(10)来自: 中基网>>教学科研。
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。
薄膜的半波损失

薄膜的半波损失是指光线在通过薄膜时,由于反射和透射而损失了大约一半的光强。
这个现象是由于光在介质界面上发生反射和透射时的折射和干涉效应引起的。
薄膜的半波损失可以通过薄膜的折射率和入射角来计算。
一般来说,当光线从一个介质进入到折射率较高的薄膜中,然后再从薄膜出射到另一个介质时,会发生反射和透射。
在某些特定的入射角下,反射波和透射波之间的干涉会导致光强的减少,这就是半波损失发生的地方。
半波损失的计算涉及到薄膜的光学性质、波长以及入射角等因素。
一般来说,当薄膜的厚度等于光的波长的一半时,半波损失最显著。
这是因为在这种情况下,反射波和透射波之间的干涉效应最强烈。
半波损失可以通过精确的计算来确定,通常需要使用薄膜的光学常数(折射率和消光系数)以及入射角等信息。
这种计算通常在光学设计和薄膜涂层工程中用于优化薄膜的性能,以减小光信号的损失。
要进行半波损失的详细计算,通常需要使用光学模拟软件或咨询专业的光学工程师。
基于薄膜干涉研究[论文]
![基于薄膜干涉研究[论文]](https://img.taocdn.com/s3/m/19615a4c69eae009581bec7c.png)
基于薄膜干涉的研究摘要:光学薄膜是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分,它在各类光学系统中的应用极为广泛。
传统的光学薄膜是以光的干涉为基础,并以此设计和制备增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振及消振膜。
本文根据薄膜干涉的基本原理,阐述了半波损失的条件和薄膜厚度的选取。
关键词:光学薄膜薄膜干涉薄膜厚度随着现代科学技术特别是激光技术和信息光学的发展,光学薄膜不仅用于纯光学器件,在光通讯、光电探测器、化学及生物传感器、纳米器件等领域也有广泛的应用。
传统的光学薄膜是以光的干涉为基础,并以此设计和制备增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜等。
薄膜的光学特性(折射率和厚度)是至关重要的参量。
本文主要依据薄膜干涉的原理,根据不同的应用要求,研究薄膜的光学性质。
一、薄膜干涉的基本原理光学薄膜是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分,它通过在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面镀制一层或多层薄膜,基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化。
光学薄膜具有良好的牢固性和光学稳定性,且质量极轻,成本相对较低,因此光学薄膜在各类光学系统中应用极为广泛。
薄膜干涉:一列光波照射到透明薄膜上,从膜的前、后表面分别被反射形成两列相干光波,这两列相干光波在叠加后产生干涉。
对于前、后表面不平行的楔形薄膜来说,凡是薄膜厚度相等的一些相邻位置,光的干涉效果相同而形成一条同种情况(譬如光振动加强)的干涉条纹(亮纹)。
随着薄膜厚度的逐渐变化,干涉效果出现周期性变化,一般在薄膜上形成明暗交替相间的干涉条纹图样,称为等厚薄膜干涉。
设基片的折射率为n■,介质膜的折射率为n■,介质膜上方空间的折射率为n■,n■>n■,cd⊥ad。
(如左图所示)二、半波损失设基片的折射率为n■,介质膜的折射率为n■,介质膜上方空间的折射率为n■(如右图所示),取介质膜的光学厚度n■·d=λ/4。
判断有无半波损失,根据具体情况而定:①当n■n■n■或n■>n■n■>n■时,在入射点a处,反射光束无半波损失,b点无半波损失,所以也不需要加■;综③和④所述,当n■n■>n■时,因薄膜上下表面的光学性质相同,上下表面的反射光没有附加光程差,两反射光的光程差δ=■,两反射光干涉相消,增加了投射光的能量,这种薄膜被称为增透膜。
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薄膜干涉中的半波损失问题处理方法浅探
作者:徐铁刚
来源:《中学物理·高中》2015年第11期
高中物理课中讲述肥皂膜、牛顿环、增透膜、增反膜等薄膜干涉问题时,经常遇到是否要考虑半波损失的问题.顾及到中学生难以理解,中学教材回避了半波损失问题.不少老师讲到这里时,往往对在什么情况下有半波损失,以及如何做到既不出现知识性错误,又不至于让学生越听越糊涂,感觉难以把握.[JP3]笔者拟从自己的教学实践出发,谈谈在处理这一问题的粗浅做法.
按照波动光学的理论,光从光疏介质射向光密介质时,若正入射(入射角趋近于0°),其反射光有π的相位突变,对应有半波损失;光从光密介质进光疏介质时其反射光无相位突变,对应无半波损失;在任何情况下透射光都无相位突变,对应无半波损失.据此,笔者编了句口诀:“疏进密,反有失;密进疏,均无辜”.意即光从光疏介质正射入光密介质时,只有反射光有半波损失,光从光密介质射向光疏介质时,其反射光、透射光都没有半波损失.根据上述理论和口诀,对常见薄膜干涉建立如下四种模型:如图1所示,有三层介质,其绝对折射率(以下简称[JP3]为折射率)分别n1、n和n2,光趋近于垂直入射,可分别讨论如下.
1 应考虑半波损失的两种情况
(1) n1n2(疏密疏型),空气中的楔形肥皂膜上出现的薄膜干涉就是这种情况.如图2所示,光在界面1(疏进密)反射光a有π的相位突变,在界面2(密进疏)反射光b无相位突变.此时a、b光程差应附加π的相位突变,即有半波损失.
(2) n1>n
在上述两种情况下,反射光a、b中一条有半波损失,另一条无半波损失.考虑到半波损失后,膜上出现亮纹的条件为光程差等于光在介质中半波长的奇数倍,膜厚应为介质中[SX
(]1[]4[SX)]波长的奇数倍,即d=(2k+1)[SX(]λ[]4[SX)],(其中k=0,1,2,…),出现暗纹的条件为光程差等于光在介质中波长的整数倍,膜厚应为[SX(]1[]2[SX)]介质中波长的整数倍,即d=[SX(]kλ[]2[SX)],(其中k=1,2,…).
在实际中人们经常关心的只是条纹的相对变动,只关心相邻两条纹处膜厚的差值,即相邻明条纹上的光程差等于一个波长,因此相邻条纹对应的厚度差为介质中波长的一半,很少需要知道膜的厚度具体值.因此在中学物理教学中可回避讨论膜的厚度,只需指出:出现亮条纹是两条反射光线干涉加强,暗条纹是两条反射光线干涉减弱,两相邻亮(暗)纹处肥皂膜的厚度差为[SX(]1[]2[SX)]介质中波长.
2 不要考虑半波损失的两种情况
(1) n1
(2) n1>n>n2(折射率递减型).如图6所示,在界面1、2反射的光线a、b均属于密进疏型,均无相位突变.此种情况下a、b两反射光无相位突变,无需计算半波损失,结果与前述n1
综上所述,笔者利用口诀“疏进密,反有失;密进疏,均无辜”,能快速的理清薄膜干涉中的半波损失问题,即:光在1、2两介面反射时,折射率“先增后减”和“先减后增”两种情况,两反射光要附加半波损失,折射率“递增”和“递减”两种情况下,两反射光无需附加半波损失.。