平面波在单个界面上的反射与透射

目的

在片上光学计算中,我们经常需要把入射光写成已知的背景场。对于空气与玻璃、介质与基底这样的平面结构,背景场可以直接由解析表达式得到。这个问题看起来只是菲涅尔公式,但在真正编程时,偏振方向、复振幅的正方向,以及“透射振幅”和“透射功率”的区别都需要先说清楚。

这篇笔记从一个界面开始。后面讨论薄板、多层结构和偶极子辐射时,都会使用这里的符号。暂时只考虑各向同性、非磁性介质,即两侧磁导率都取真空磁导率。

1. 先规定坐标与偏振方向

s 与 p 偏振的电场、磁场方向

图 1:依据作者原笔记的原图重绘成白底双面板。界面为 z=0,介质 1 在下、介质 2 在上,z 由介质 1 指向介质 2,x 向右,正 y 指向纸内。左图为 s 偏振,右图为 p 偏振。蓝色表示电场 E,红色表示磁感应强度 B;本篇非磁性条件下 H=B/mu0,故 H 与红色箭头同向。叉号表示指向纸内,圆点表示指向纸外。所有角度相对界面法线定义。

入射面是入射波矢与界面法线张成的 x-z 平面。因此两种偏振的区别不是传播方向不同,而是电场相对同一个入射面的方向不同:

偏振 电场 磁场 本图中的表示
s(TE) 沿 y,垂直入射面,Ez=0 位于 x-z 面内,包含 Hx、Hz 蓝色电场用叉号,红色磁场用面内箭头
p(TM) 位于 x-z 面内,包含 Ex、Ez 沿 y,垂直入射面,Hz=0 蓝色电场用面内箭头,红色磁场用圆点

图中箭头规定复振幅的正方向,不表示复反射系数在所有角度下都为正。若算得负系数,实际场相对该正方向多一个 pi 相位。

采用时间因子 。设两侧折射率为 $n1,n_2,真空波数为k_0=\omega/c。对于透明非磁性介质,n_j^2=\varepsilon{rj},其中\varepsilon_{rj}$ 是相对介电常数。

入射波、反射波和透射波的波矢分别为

界面上任一点的相位必须一致,因此切向波数 在三束波中相同:

对于传播波,。这里是余弦,因为角度相对法线定义。切向相位匹配也就给出了 Snell 定律。

任意横向偏振可以分解为 s 与 p 两部分。取

这组 p 基矢与图中方向一致:入射与透射电场指向左上,反射电场指向右上。上标 、 分别表示朝正、负 z 传播;s 的两个方向共用同一基矢。特别要注意反射 p 波的 x 分量改变了基矢符号,这是正入射时 r_s 与 r_p 相差一个负号的原因。将所有 p 基矢同时反向,是另一种可用约定;若三个波同步变换,r_p、t_p 及后面 T、S 的数值不变。

2. 电场、磁场与边界条件

对于每一束平面波,Maxwell 方程给出

若使用绝对介电常数和磁导率,传播速度为 ,折射率为 ;非磁性情况下才进一步化为 。这几个量不能混用。

令单位法线 从介质 1 指向介质 2。先写出含自由面电荷密度 和自由面电流密度 的全部四条边界条件:

其中 、,这里的 epsilon、mu 是绝对材料量。E1、H1 是入射加反射的总场,E2、H2 是透射侧总场,不能只拿入射场去匹配透射场。

本篇界面没有自由面电荷与面电流,。将四条条件按切向与法向展开为

连续的是法向 D、B,并非一般情形下的法向 E、H。本篇 mu1=mu2=mu0,所以法向 H 也连续;不同介电常数下法向 E 一般不连续。极化造成的束缚面电荷已包含在 D 的材料关系中,不能再把它误写成这里的自由面电荷。

下一步对 s、p 分别写出非零分量。所有 E_i、E_r、E_t 都是沿图示正方向的复振幅。

3. s 偏振:由两条边界条件解出两个系数

设入射电场幅值为 ,反射和透射幅值分别为 。省略三束波共有的切向相位,切向电场连续给出

s 电场沿 y。由 得到界面处各磁场分量

切向磁场要求 $H{ix}+H{rx}=H_{tx}$,因此

法向条件也可逐条核对。s 波的 Ez=0,因此 Dz 连续自动满足;而

所以法向 B 连续再次给出 ,与切向 E 条件一致。法向条件没有被省掉,只是在这个平面波问题中不再提供独立的振幅方程。

定义 、,两式联立得到

写成折射率和角度的形式就是

4. p 偏振:先看清基矢,再写边界条件

按原图的 p 基矢,界面处非零电场分量是

切向电场要求 $E{ix}+E{rx}=E_{tx}$,消去共同负号后得到

由叉乘计算,三束波的磁场均沿负 y,即图中的纸外方向:

切向磁场要求 $H{iy}+H{ry}=H_{ty}$,于是

法向磁感应强度为零,故 Bz 条件自动满足。法向 D 连续则是

利用 与 ,它化为 ,与切向 H 的条件一致。至此切向、法向电磁边界条件都已明确写出。

同样联立可得

由于 $nj^2=\varepsilon{rj}$,也可以把反射系数写为

角度形式为

这四个系数就是后续计算所需要的单界面结果。使用其他书中的表达式时,应先比较其反射 p 基矢,再比较系数的正负号。

5. 把反射与透射的场写出来

设入射振幅为 ,选定一种偏振 。两侧场分别是

s 偏振中两个方向使用相同的 。磁场对每个正、反向项分别使用 ,然后相加。这些复场可以直接作为频域背景场,实际物理场取其乘以 后的实部。

6. 振幅系数不等于功率系数

对于透明介质中的传播平面波,法向平均能流为

因此反射率和透射率是

这个公式最后一项用于两侧 q 都为正实数的传播情形。不能在吸收介质、倏逝波情形下直接套用透明传播端口的功率解释。需要时应回到 计算指定平面的能流。

7. 三个特殊情况

正入射。 此时

两个反射振幅相反,而反射率相同。因为正入射时 ,其反射 Cartesian 电场也要乘这个基矢负号,物理结果没有偏振矛盾。空气到 n=1.5 玻璃,、,不是 。

Brewster 角。 对于透明非磁性介质, 给出 。空气到 n=1.5 玻璃,。这时 p 反射消失,s 反射一般不消失。

空气到玻璃的反射率与透射率

图 2:空气到 n=1.5 玻璃的角度扫描。曲线由程序实际计算;两种偏振分别满足能量守恒。s、p 反射率在斜入射时明显不同。

全反射。 由高折射率介质入射到低折射率介质,临界角为

当 ,令

透射侧场含因子 ,所以场仍存在,但沿离开界面的方向衰减。对于两个无损半空间,此倏逝场不携带净法向平均能流,。玻璃 n=1.5 到空气,。

玻璃到空气的全反射

图 3:临界角以上,两种偏振的反射率均为 1;它们的复反射相位仍可能不同。加入第二个相邻界面后,倏逝场可能耦合到另一侧,不能把单界面结论直接移用于有限空气隙。

8. 下一步

单个界面只有一次反射与透射。把两个界面放到一起,透入中间层的波会反复往返。下一篇从这条传播路径开始,推导有限薄板的总反射、总透射和内部场,然后把相同关系写成矩阵。

参考:L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics,平面界面及角谱相关章节。本文按自己的基矢约定由 Maxwell 边界条件推导;数值图的数据与生成程序随笔记提供。