从幺正变换的角度理解半波损失

机械波或者光波在介质的分界面处反射可能会发生半波损失的现象.半波损失与能量守恒都体现在波函数的求解结果中.本文以机械波为例,从幺正变换的角度理解半波损失发生的条件及其与能量守恒之间的必然关系.     

论菲涅耳公式对半波损失的解释

本文对一般教科书中直接用菲涅耳公式解释电磁波的半波损失问题提出质疑,认为平行于入射面的反射波、折射波与入射波的电矢量振动的振幅一般不在同一直线上,由菲涅耳公式给出的反射波、折射波与入射波电矢量振动的振幅之比,只能描述其相应振幅之比的大小随入射角和折射角变化的关系,而不能反映其相应振幅间的位相随入射角和折射角变化的关系.笔者认为若将平行于入射面的电矢量振动的振幅分解为平行于界面法线和垂直于界面法线的两个坐标分量,然后根据边界条件导出相应振幅坐标分量之比随入射角和折射角变化的关系。便可以较为严格地解释电磁波在界面反射中发生半波损失的物理实质。 关于电磁波的半波损失在其有关学术领域中一直是一个众说纷纭的问题,近年来,在国内举行的有关学术讨论会中,对该问题的争论重新激烈起来,其争论的焦点在于如何用菲涅耳公式解释电磁波传播至两不同介质的界面时,发生半波损失现象的物理实质。 所谓半波损失,其实质是位相突变π,即电磁波经界面反射后,反射波的电矢量振动的振幅与入射波的振幅反向,亦有π的位相差。反射波位相的改变取决于具体问题的边界条件。振幅反向即位相差为π。对应半波长(λ/2)的光程改变。并非反射过程中真实失去λ/2的光程。 经典电磁理论认为,     

关于光在反射时的半波损失问题

1.半波损失问题上所存在的矛盾在一般的光学教科书中,当讨论到反射光所产生的干涉现象时,例如,光驻波、洛埃镜、牛顿圈、迈克耳孙干涉仪等,必然会涉及光波在两种不同媒质界面上反射时的周相变更问题,即所谓“半波损失”问题。在光学教科书中,一般沿用这样的一个概念:光在光疏媒质(如空气)中传播,遇到光密媒质(如玻璃)而     

关于声速测量实验的讨论

对声速测量实验现象提出新的理解途径,认为声压是发射和接收端之间声波无限次反射叠加的结果.在考虑空气中传播损耗,换能器界面反射能损及相位半波损失的情况下,给出接收端测量的声压振动和声波位移振动两者关系,最后得出接收端声压信号随发射、接收端间距变化的具体关系,与具体实验现象符合.     

劳埃德镜实验的分析

劳埃德镜实验揭示了光波由光疏媒质射向光密媒质,在分界面上反射的光波有半波损失的事实.因此它是一个很重要的实验.但通常的光学教材中对于劳埃德镜实验的论述都比较简单.本文拟就劳埃德镜实验的有关问题作一些分析讨论供教学参考.     

折射光强可以大于入射光强

在学习有关光波在两种透明均匀介质界面上反射和折射的菲涅耳公式时,往往疏忽了下面两种有趣的情况: 1.折射光波的振幅可以大于入射光波的振幅,即透射振幅比ts或tp可以大于1.注脚“s”和“p”分别表示光振动垂直和平行于入射面的振动状态. 2.折射光强可以大于入射光强. 假如认为,折射光波是从入射光波中“分振幅”分出来的,它的振幅和光强一定小于入射光波,那是极为错误的. 设入射光波的振幅是一个单位,则透射振幅比t的数值就是折射光波的振幅值. 光强的定义是垂直照射在单位面积上的光功率,设在折射率为。;介质中人射光强为一个单位,则上(t…     

“半波损失”的实验研究

利用光的干涉现象,通过在半平玻板上涂敷光密介质获得了有错移的明暗相间的干涉条纹,直观地展示了"半波损失"现象.然后推导出干涉图样分布方程,并结合实验数据计算出不同介质表面反射时产生的额外光程差,从而定量地分析了"半波损失"现象.同时基于导出的干涉图样分布方程对实验结果进行了计算机模拟,从另一个角度说明了"半波损失"现象.     

作图法分析光波在两个单轴晶体分界面上的双反射和双折射

通过几何作图法,分析了光轴取向任意时,光波在两个单轴晶体分界面上的双反射和双折射.考虑到入射光波、反射光波、折射光波在界面上相位相等和晶体折射率面的定义,采用斯涅尔作图法,直接在图上得到了两条反射光波和两条折射光波.根据晶体的光学各向异性,进一步讨论了各光波对应的光线方向和振动方向,并通过几何分析,给出了各反射光波、折射光波、反射光线和折射光线位置的一般表达式.斯涅尔作图法简单直观,可以直接获得光波的方向,结果具有普遍性.     

再谈半波损失和薄膜干涉

本文的主要内容有四点.一是对近期本刊发表的《光由光密介质射向光疏介质时半波损失的条件》作补充讨论,给出一些数学公式上的解释和相应的物理情景.二是讨论该文中谈到的一些关于半波损失的看法,并指出当偏振平行于入射面的光从光密介质入射到光疏介质、且光密介质折射率远大于光疏介质折射率时,一般不会有半波损失.三是给出薄膜干涉的定量计算结果,展示了在通常情况下,教科书上的薄膜干涉公式结果与按菲涅耳公式计算的结果是非常接近的.四是指出,教科书上的薄膜干涉公式所指示的暗纹条件恰好是正确的,但对于亮纹条件,在某些情况下,该公式会得出完全错误的结果.     

光在光轴取向任意条件下的晶体表面透射率

为了分析一束光在晶体表面的能量损失以及两束折射光的能量比,给出了一种求解反射率和透射率的方法。讨论了光从各向同性介质入射到单轴晶体表面时的折射和反射,注意到了e光线与e光波方向的不同,e光折射率与e光波法线折射率的不同,得出了在界面处应该满足的边界方程。在晶体光轴取向任意的条件下,给出了表明各光束间能量关系的折射率和反射率的理论表达式,为晶体器件特性的研究提供了有力的理论工具。数值模拟表明:得到的结果满足能量守恒;反射到各向同性介质中的光的电场(或磁场)与原入射光的电场(或磁场)不再平行;光轴的取向和入射角的大小对折射的o光、e光的能量比有很大的影响。     

折射率梯度表面机理的研究

本文构建了一种折射率梯度表面,并利用几何光学法对其物理机理作了研究,发现这种折射率梯度表面可以实现入射波到正常反射波,异常反射波,以及介质波的转换.当入射点介质折射率大于某一阈值时,异常反射波束方向角正弦值与入射波束方向角正弦值存在线性关系,意味着平行入射的波经介质后将平行出射到空气;而当折射率梯度常数大于某一阈值时,任何方向入射的波在透射到介质后,将发生全反射,被束缚在介质中.总而言之,通过调节结构参数,可以实现对波束方向与强度的人工调控,从而提供了一种人工可控的全介质梯度表面的工程实现思路.     

光由光密介质射向光疏介质时半波损失的条件

本文通过对反射波和入射波振幅的比值关系进行详细解析推导、作图呈现和分析讨论,给出反射光和入射光相位差在折射率-入射角空间的详细分布图,并指明半波损失发生的各种条件,其中包括光由光密介质射向光疏介质时反射光发生半波损失的条件.研究表明当光束由光密介质射向光疏介质时反射波也可能发生半波损失,而当光束由光疏介质射向光密介质时反射波也不是一定会发生半波损失.澄清和补充了一些现有教科书中不很明确的结论.     

平面波在各向异性晶体中的菲涅耳公式

当各向异性晶体介电主轴坐标系与入射光波所在平面坐标系取向不同时,讨论折射光波场强E的问题变得比较复杂,但是这种情形对于许多双轴晶体的非线性光学现象具有重要影响.在上述两坐标系任意取向的前提下,讨论了平面波从各向同性介质入射到各向异性晶体后,其折射光波电场强度E的大小和方向的一般表达式,证明了折射光波电场强度的方向和大小可以通过求解一元四次方程和电磁场边界条件而得到.对于一些特殊的入射光波方向和具有特殊对称性的晶体,折射光波电场强度E的方向与光波法线方向垂直,也就此特殊情况进行了讨论.利用所得结果,可以讨论两束折射光波能量的分配关系.     

薄膜干涉中半波损失的"例外

利用相位变化关系详细分析了薄膜处在上下界面不同的介质中时,两界面反射光有无半波损失的各种情况,得出了两界面性质相反时应有半波损失的情况下,却存在无半波损失的例外的结论.     

关于光在介质表面反射的半波损失问题

对于光在反射时的半波损失问题，就《大学物理》上已发表的章和已出版的教科书中的有关论述作一回顾，阐明对此问题是怎样一步步讨论得全面、清楚的。     

声波反射波形的记录及观察

在“驻波”的教学中，有反射波与人射波的位相问题：半波损失和全波反射．考虑在弦线上行进着一个横向脉冲（图1），当到达一固定端，它的反射波形变成“颠倒”，相对于入射波有了。位相变化，称之为半波损失，或半波反射．当人射波到达自由端，它的反射波形仍为“直立”，与入     

三元结构双反射平行分束偏光镜设计

为了节省冰洲石晶体材料,并实现两束偏振光的平行输出,采用冰洲石与光学玻璃组合的方法,给出一种双反射形式平行分束偏光镜的新设计。该棱镜为ZBaF3玻璃中间加冰洲石晶体薄片的三元结构,采用溴代萘胶合;选择合适的结构角,令电矢量振动方向相互垂直的两束偏振光分别在前胶合面、后端面发生全反射,并垂直上端面平行出射。实验测试表明,棱镜的透射比高于80%,消光比优于10-3。该设计在节省冰洲石晶体前提下,保持了良好的性能。     

一种激光平行分束器的设计

为满足波面剪切干涉和双细光束干涉曲反射表面非接触精密测量、台阶高度测量以及其他平行分光需要,利用双折射晶体特性,研究并设计了一种单一平板激光平行分束器。当一束激光入射到双折射晶体时,它的2个相互正交的的偏振分量将有不同的折射特性,因此特定晶轴方向和厚度的晶体平行平板可以实现入射光束的平行分束。描述了双折射晶体平行平板的分束原理,推导了分束距离与光轴方向、晶体厚度、入射角的关系,分析了分束距离随主要设计参数的变化规律。采用设计的晶体激光分束器进行了实验测试,验证了分析与实测结果的一致性。     

高精度丝径测量中的偏振效应

本文主要研究光束偏振方向对高精度丝径测量的影响,将给出简要的实验结果:钢丝直径的实测值随光振动方向与细丝轴线的夹角呈正弦变化;振动平行细丝轴线的偏振光的实测值比垂直的小0.36μm;钢质狭缝宽度测量结果则与钢丝情况相反。在此基础上着重对这种影响进行了理论分析。计及细丝表面反射和不同偏振方向光波反射时产生的不同位相变化,细丝的夫琅和费衍射图也发生了微小的改变,致使直径测量值不同。由此对钢丝的分析表明：光振动平行千丝轴时的直径理论值比季直的小0.33μm，与实验值0．36μm。相差0．03μm；光振动平行缝边时的宽匿理论值比垂直的大0．19μm，与其实验值0．21μm相差0，02μm。它们都接近或小于仪器的测量误差0．04μm，理论与实验符合得很好．     

关于光波的半波损失的教学讨论

半波损失是大学物理薄膜干涉教学中的重点和难点。通过菲涅尔公式对半波损失的形成及条件进行了深入的分析和讨论。介绍了两个可以直观形象展示半波损失现象的实验。讨论在光的干涉应用中如何处理与半波损失相关的问题。