半解析电磁计算笔记(二):有限薄板的场、传输矩阵 T 与散射矩阵 S
有限薄板的反射与透射:从逐层 A、B 到 T、S 矩阵
目的
单个界面已经有了 s、p 两套 Fresnel 系数。一块有限厚度的薄板有两个界面,透入其中的波会来回反射。我们既要算板的总反射、透射,也要知道板内每一个位置的场。
这篇从各层带编号的 A、B 系数开始。先沿传播路径求和,再写稳态关系,最后分别写出传输矩阵 T 和散射矩阵 S 的完整形式。全文 T 专指 transfer matrix,S 专指 scattering matrix;小写 t 是透射振幅,花体
1. 三层结构:先给每个波编号

图 1:介质 1 | 介质 2,厚度 d | 介质 3。左界面 z=0,右界面 z=d;z 从左向右。图示左侧入射、右侧无入射的特例 B3=0,但下面先保留一般的 B3,再构造两端口矩阵。图中的传播箭头不是电场矢量方向。
采用上一篇的时间因子、s/p 基矢和非磁性条件。先固定一种偏振
| 系数 | 所在介质 | 传播方向 | 幅值参考平面 |
|---|---|---|---|
| A1 | 介质 1 | 正 z,左侧入射 | z=0 |
| B1 | 介质 1 | 负 z,左侧出射 | z=0 |
| A2 | 介质 2 | 正 z,板内正向波 | z=0 |
| B2 | 介质 2 | 负 z,板内反向波 | z=0 |
| A3 | 介质 3 | 正 z,右侧出射 | z=d |
| B3 | 介质 3 | 负 z,右侧入射 | z=d |
下标 1、2、3 是介质层号,不是矩阵行号。标量 B_j 是反向电场振幅,与上一篇加粗的磁感应强度
相同横向波数为
2. 把每层的场完整写出来
省略共有的时间因子,但保留横向相位:
这六个系数把入射、出射以及板内两方向的波区分开了。磁场对每一项分别使用
例如板内 s 偏振满足
这里及下式省略共有
所以两个矢量波总是相加,但不同 Cartesian 分量里的标量系数可以是 A+B,也可以是 A-B。
3. 两个材料界面各自满足哪些条件?
界面无自由面电荷、无自由面电流。先在左界面 z=0 写总场条件:
右界面 z=d 同样满足
和上一篇一样,每种偏振的两个非零切向条件足以求幅值,其法向条件由 Maxwell 波关系与切向相位匹配同时满足。现在把这些边界关系用单界面 r、t 表示。
4. 左入射薄板:稳态方程与逐路径求和
取 B3=0,暂保留任意入射 A1。将单界面系数 $r{ij},t{ij}$ 定义为从介质 i 入射到介质 j 的电场振幅系数。四条关系为
第一式表示左界面产生的板内正向波,第二式是后界面反射后返回 z=0 的板内反向波;后两式给出出射。B2 定义在 z=0,所以含完整往返因子 f²。
定义 $g=r{21}r{23}f^2$。解前两式得到
薄板总反射与透射为
也可以沿光的路径理解:第一次透射为 $t{12}t{23}f
本文界面系数满足 $r{ji}=-r{ij}
有 $rL=(r{12}+r{23}f^2)/\Delta
5. 传输矩阵 T:连接两端的 A、B
5.1 先写一个界面的矩阵
在同一个材料界面上,用边界条件连接两侧系数:
上标 (b) 表示两侧都取这个界面平面处的幅值。这个矩阵也可从
D 是把波系数变成切向场的辅助矩阵;真正连接界面两侧系数的传输矩阵始终记为 T。
5.2 薄板内的传播与整体 T
板内右端幅值为
连上左右两个界面,完整薄板的传输关系是
带括号上标的
单位左入射是
这里 T 两端各包含一个正向波和一个反向波,不是把“两侧入射”直接映射到“两侧出射”。
6. 散射矩阵 S:连接入射与出射

图 2:左右两图是同一个薄板、同样四个波,箭头方向没有变化。蓝色标出物理入射 A1、B3,橙色标出物理出射 B1、A3。区别只在矩阵如何整理未知量:左图 T 把同一参考平面的 A/B 放进同一个列向量,右图 S 把入射放一组、出射放一组。T 公式右端的 A3 虽是该公式的自变量,却仍是物理上的右侧出射波;不要把“等式右端”一概理解成“入射”。
| 比较 | 传输矩阵 T | 散射矩阵 S |
|---|---|---|
| 列向量如何分组 | 同一平面的正反向波 | 两端的入射波、两端的出射波 |
| 右侧列向量 | (A3,B3),同在右参考面 | (A1,B3),分别从左右入射 |
| 左侧列向量 | (A1,B1),同在左参考面 | (B1,A3),分别向左右出射 |
| 串接两个结构 | 普通矩阵乘法 T_X T_Y | 消去连接处相向波后的星积,详见下一篇 |
两套矩阵都由同一组电磁边界条件得到,并非分别代表“只有传播”与“只有反射”。下一篇从连接图推导星积的四个元素及内部场恢复。
6.1 明确谁是入射、谁是出射
左侧入射是 A1,右侧入射是 B3;左侧出射是 B1,右侧出射是 A3。于是
逐行展开就是 $B1=r_LA_1+t{R\to L}B3
6.2 单界面与传播段的 S
在同一界面平面上,
对板内传播段,
注意 S 的传播块两侧都是单程因子 f,而 T 中的 P 包含
6.3 完整薄板 S 的四个元素
由左、右两种入射分别求解,得到
一般情况下不能直接把 S 的两个透射元素写成相同值,因为这里使用电场幅值,并未做功率归一化。两侧介质相同的互易薄板才有 $t{L\to R}=t{R\to L}$。所有单界面 r、t 在 s、p 情形下分别代入上一篇对应的结果。
7. 两种矩阵如何互相转换?
从式 (2.13) 的第一行解 A3,再代入第二行,得到
反过来,由式 (2.16) 的第二行解 A1,再代入第一行,得到
这些转换要求相应分母非零;严格零透射点应使用原始边界关系或极限处理。S 块连接时不是直接普通矩阵相乘,需要消去内部相向传播波;下一篇再推导其递推。
8. 一个可以直接手算的数值例子
空气 | n=1.5、d=100 nm 玻璃 | 空气,真空波长 600 nm,正入射 s 偏振,A1=1、B3=0。此时
对应的两个完整矩阵也能明确写出:
可以分别代入式 (2.13) 与 (2.16),检查每行结果。还可以检查前表面的切向场:

图 3:左图扫描波长,右图为 600 nm 时的电场强度,虚线为两个界面。左侧为入射与反射驻波,板内为 A2、B2 的解析叠加,右侧为单向出射。数值曲线来自实际程序,矩阵与六个场系数还可用本篇的分数形式单独核对。






