半波损失与增透膜原理

半波损失与增透膜原理

这是2010年10月在仪器信息网上由版主祥子发起的一个讨论，我参与讨论，但总觉得还不够深入。转载到这里，希望和更多的同行讨论这个问题。/shtml/20101117/2932956/index.shtml

关于半波损失或者相位突变，版主的论述比较详细，转载如下（略有编辑），并提出我的问题（红色字体部分）：

增透膜中的半波损失

一。基本概念

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，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。n0相对于n1就是光疏介质，n1相对于n2就是光疏介质。当入射光线SA从no射入n1时，在no和n1的界面反射，由于n0

A。所谓“半波损失"，就是当光从折射率小的光疏介质射向折射率大的光密介质时，在入射点，反射光相对于入射光有相位突变π，即在入射点反射光与入射光的相位差为π，由于相位差π与光程差λ /２相对应，它相当于反射光多走了半个波长λ /２的光程，故这种相位突变π的现象叫做半波损失。

问题1：这是经典的理论。为什么光从光疏介质入射到光密介质时，反射光相对于入射光会产生半个波长的变化？这种半波突变的机理是什么？

B。半波损失仅存在于当光从光疏介质射向光密介质时的反射光中，折射光没有半波损失。当光从光密介质射向光疏介质时，反射光也没有半波损失。

以图1为例，光从n1射向n0，在n0和n1界面上，反射光没有半波损失。半波损失概念为什么很重要，是因为“它相当于反射光多走了半个波长λ /２的光程”，这是因为在光的干涉研究中，两个光线的光程不同，干涉的效果不同。以图1为例，因为光线1，2，3都在某个界面有半波损失，所以，在考虑光线1，2，3之间的干涉时，它们的光程都要再加上半个波长。

问题2：为何在光密介质到光疏介质的反射过程与光透射过程中没有波长或者相位变化？

在优酷网上，有个演示半波损失的例子：/v_show/id_XNDI3MjM5MzI=.html

二。增透膜中的半波损失

1．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减弱。这里有两个相位差，反射引起的半波相位差和薄膜厚度引起的相位差，薄膜引起的相位差是增透膜的关键。

则有光程差Δ＝2ｄｎ1ｃｏｓγ＝（ｋ＋（1／2））λ0，

其中λ0为光在空气中的波长，λ１光在n1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d为入射光在薄膜中波长的1／4．

从上述关于反射干涉光的描述过程可以看出：入射光首先在界面上反射，反射的光带走能量，即能量离开了介质界面，然后由于相位差而产生干涉，在一定的条件下将能量相互抵消。

问题3：反射光1和反射光2在离开界面时是有能量的，干涉后能量到哪里去了？根据能量守恒，这部分能量应该转换成其他形式或者转移，但到哪里去了？

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）和在薄膜中连续两次反射后再透射的光（如光线Ⅱ），它们的相位差为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．

因为能量守恒，所以，反射光相互减弱的能量跑到透射光中了，不然，减弱的能量去哪里了呢？

从上述对透射光的描述过程可以发现：这里所谓的加强只是透射光Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之间相互加强，并不能推论到由于反射光相互减弱，从而使得透射光加强，或者透射光相对于入射光加强。反射光与透射光的互补效应，从上述论述过程中难以成立。

问题4：有无实验证明透射光与反射光的互补效应？或者实验证明上述过程能量分布过程？这是我们理解中增透膜的工作基础。

第3个问题实质是：相消的反射光能量哪里去了？

由界面处反射的光1、2、3，在离开界面的时刻，具有相应的光振动幅值a1,a2,a3，其对应能量分别为e1,e2,e3.

离开界面处以后，其由于半波长差相互干涉而消失，那么他们的能量哪里去了？

好比两辆相对而行的车，在碰撞前各自具有动能，相互碰撞后，各自的都能转化为自身的变形的“内部能量”。那上述相互干涉相消后呢？

同样的问题，透射光由于整波长差，光振动幅值相互叠加，能量增加。这是说叠加后的波幅振动大于3个分幅值，叠加后的波能量大于3个各自的波振动能量，但叠加波幅能量仍旧小于界面前的入射波各能量之和。所以说透射能量增加是没有道理的。