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1、清华大学 2010 届本科毕业论文第页 共4 3页基于基于 PSDPSD 的薄膜增强古斯的薄膜增强古斯汉欣位移测试系统研究汉欣位移测试系统研究摘要摘要当光从光密媒质入射到光疏媒质界面发生全发射时，由于消失波的特点便产生古斯-汉欣位移。例如，假定媒质1中有一个光束以入射角向两媒质组成的界0面入射，而界面两侧的媒质折射率为,入射角大于临界角即)(2121nnnn、；那么几何光学预期将发生金反射。但在实际上，光束进入了媒121 10sinnn c质2并在与界面平行方向前行一段距离，然后才返回媒质1。这段距离就是古斯汉欣位移。在单界面的全反射和双棱镜结构的受抑圈内反射中，古斯-汉欣位移量只能达到波长的
2、量级，在实验中很难对其进行探测。如果在折射率较高的电介质基层底上镀一层折射率较低的电介质薄膜，并且恰当选择基底内光束的入射角，使得光束在基底介质膜界面上折射到薄膜内、在薄膜空气界面上全反射，那么反射光束的古斯汉欣位移在一定条件上会得到共振增强。本论文基于玻璃棱镜/电介质薄膜/光疏介质结构的特点，从理论和方法上重点研究了在单反射情况下利用电介质薄膜增强古斯-汉欣位移。采用PSD技术直接地测量了这种古斯汉欣位移随随电介质薄膜厚度的变化，测量结果与理论预言吻合得较好。关键词：古斯汉欣位移 电介质薄膜 PSD清华大学 2010 届本科毕业论文第页 共4 3页Abstract：It happened t
3、o produce the Goos-Hanchen shift because of the wave of the characteristics vanish ,When light from dense medium light incident to light hydrophobic medium interface .For example，if a beam of light hits an interface between two mediums with indices of refraction under an angle 21nn ，geometrical opti
4、cs predicts total reflection of the incoming 121 10sinnn cbeam . But in reality，the beam pentrates into the second medium and travels for some distance parallel to the interface beforebeing scattered back into the first mediumThis is the Goos-Hanchen shift .The Goos-Hanchen (GH) shift that occurs in
5、 single-interface reflection and the frustrate-total-internal reflection is only of the order of the wavelength . The Goos-Hanchen shift of reflected beam is resonance enhanced under some conditions when the incident beam transmits from the high-refractive index prism to the low-refractive index die
6、lectric thin-film and is totally reflected from the film-air interface . In this paper,we based on the glass prism/dielectric film/light hydrophobic medium structure characteristics, from theory and method in the research on the key shoot cases using dielectric film enhance the Goos-hanchen shift .T
7、he GH shift versus the fiIm thickness is directly measured by PSD technology.The experimental measurements confirm the theoretical prediction .Keyword : Goos-hanchen shift Thin-film /dielectric PSD清华大学 2010 届本科毕业论文第页 共4 3页1 绪论绪论1.1 研究的目的和意义研究的目的和意义光束在光密介质与光疏介质的界面上发生全反射时，反射光束相对于几何反射光束而言，会在入射面内产生一段侧向位
8、移，这一现象是由Goos和Hnchen于1947年在实验中证实的，通常称为GH位移。事实上，早在3个多世纪以前，牛顿就预言了：光束的全反射并不在两种介质的界面上产生，实际光束的路径是抛物线型的，其顶点在光疏介质内，仿佛反射界面位于光疏介质中离实际界面一定距离的地方。虽然这个效应在1947年就在实验上观察到，但对它的解释始终存在争议。与此有关的理论模型有稳态相位模型、能量传播模型、光线模型和形变光束模型。这种状态促使人们在更多的领域内研究这个现象，其中包括声学、等离子体物理、量子力学、表面物理和化学。近年来GH位移与所谓的超光速现象联系在一起，从而又得到了人们进一步的关注。此外，GH位移在光学器
9、件中得到了一定的应用1。人们对GH效应的研究大多集中在理论上，实验研究的还不多，其中一个主要原因就是这个位移很小，通常只有波长的数量级，在单次反射的光学实验中很难观察到2。围绕全反射光束的GH位移现象，很多科学家都进行了探索和研究，尤其是在实验成功验证了该现象以后，人们对光束在电介质界面上位移行为的研究逐渐拓展到部分反射的情况，如光束在介质板结构、多层膜结构及吸收介质界面的位移。此外，人们不仅对反射光束的位移进行了深入研究，还进一步研究了透射光束的位移。对单界面全反射光束位移的研究也被扩展到多界面全反射的情况，如受阻全内反射结构(FTIR)、薄膜共振增强全反射结构中光束的位移。光束在各向同性介
10、质与单轴晶体的界面上产生的GH位移也是人们广泛关注的一个课题13。近年来的理论和实验研究表明，如果在折射率较高的电介质基底上镀一层折射率较低的电介质薄膜(介质膜的另一侧为折射率更低的介质，如空气)，并且恰当选择基底内光束的入射角，使得光束在基底一介质膜界面上折射到薄膜内、在薄膜一空气界面上全反射，那么反射光束的GH位移在一定条件下会得到共振增强。Kaiser等曾采用成像方法对这种现象进行实验研究，最近Girard小组利用位置灵敏清华大学 2010 届本科毕业论文第页 共4 3页探测器测量了这种情况下的GH位移随光束入射角的变化情况3,4。本文旨在采用成熟的PSD技术测量这种有趣的光学效应。1.
11、2 研究现状和发展趋势研究现状和发展趋势1.2.1 研究现状到目前为止，除了非线性光学实验，实验研究工作大体上有如下三种类型：1)GH 位移大小与光束的偏振状态有关，基于这个现象，在光学领域采用多次反射的方法从空间上把 TE 和 TM 光束分开；2)波长较长的微波的单次反射实验；3)最近在光学领域出现了利用光束位置灵敏探测器进行测量的单次反射实验。以上前两种方法测量出的位移值都不够精确，而随着物理光学方面的一系列理论和实验研究的不断完善和光纤技术、棱镜镀膜技术以及光电检测技术的不断发展，为高精度测量提供了可能，正如上面提到的第三种方法，本文正是采用这种方法。新的测量方法是以棱镜反射光为基础，主
12、要包含入射角小于临界角和入射角大于临界角两种情况。在入射角小于临界角情况下测量的依据是菲涅耳公式，特别是当入射角接近临界角时，反射能量随角度的变化十分显著，因此测量的灵敏度较高，采用反射方式也可以直接进行检测，做到快速简便，有利于测量向在线方向发展。薄膜增强 GH 位移的原理。研究发表的论文有：“Large positive and negative lateral optical beam displacements due to surface plasmon resonance” 4， “电介质膜增强的 GH 位移的微波测量” 5， “双棱镜结构中透射光束的古斯-汉欣位移” 6，“基于薄
13、膜理论的受抑全内反射原理研究”等。这些研究表明：“作为光学学科基石的物理光学已进入一个全新的发展阶段。相关的研究工作是在微波、THz 波和光频三个波段进行的，因此深刻理解和研究这些理论和相关的实验工作已成为一个急迫的任务”3,5,6 。 1.2.2 位置敏感探测器（PSD）我国于 80 年代末才开始 PSD 方面的研究工作，近几年来发展迅速。对 PSD的研究报告越来越多，PSD 的应用范围越来越广，如在角度检测、长度检测、形貌测量等方面。对 PSD 的研究报告越来越多，如中国计量科学研究院研制了半导体激光自动测厚仪，哈尔滨科技大学袁峰报告了位置敏感器 PSD 应用系统的设计清华大学 2010
14、届本科毕业论文第页 共4 3页史健鹏报告了一种新型的位置敏感器件 PSD 检测元件等等7。PSD 测量系统的进展主要在两个方面：一是 PSD 器件性能的提高：近几年来PSD 器件的研究已有进展，分辨率大大提高，已有分辨力高达 5m 的 PSD 的研究报导，线性度和稳定度也有改善。二是计算机技术及新的信号处理技术的研究与应用：利用微机或单片机可简化电路设计，使系统设计更灵活，且可实现各种非理想因素（如非线性）的补偿，这样可以提高测量精度。高速信号处理器的应用，使各种信号处理算法容易实现，信号采集速度提高，可大大提高测量速度7,8。基于 PSD 的激光位移传感器主要应用在高灵敏度、高精度的位移、角
15、度、同轴度的非接触测量与校准领域。整体看来，我国还处在实验室研究阶段，针对某一方面的应用，没有广泛应用的产品出现。而实际应用中，要求传感器要有紧凑的结构，抗干扰能力强，较高的测量精度。而且对外界环境及待测表面的变化有一定的自适应能力9,10。1.2.3 GH 位移研究的发展趋势1621 年荷兰人 W.van R.Snell 由几何光学出发，推导出了光线从媒质界面折射的定律（n1sin1= n2sin2）。但在 Snell 定律已提出 300 多年的 1947 年，人们发现了新的物理光学现象，即当发生全反射时，入射光波会透进光疏介质约为光波波长的一个深度，并沿着界面流动约半个波长的距离再返回到光
16、密介质，但反射光的总能量没有发生改变。在实际中，介质界面为有限尺寸，入射光波束是有限宽时，光束的行为也就会偏离 Snell 定律。这种情况如图 1.1 所示，图中加粗的短横线代表反射光束实际发生的平移量3。s1z12 n2n1图 1.1 GH 位移示意图由于这现象是德国物理学家G.Goos和H.Hnchen发现的，称为Goos-Hnchen位清华大学 2010 届本科毕业论文第页 共4 3页移，简称GH位移，GH位移量是波长量级。由于它发生在入射面内，称为纵向位移。因此，严格的表述为当线极化的入射光束入射到界面并满足全反射条件时，反射光束将产生微小的纵向位移，这个微小的纵向位移称为Goos-Hnchen位移，它体现了在实际的物理光学条件下真实情况与Snell定律之间的偏差。对于不同偏振状态的窄束入射光波，GH位移与介质折射率的关系为：TE1222 211sinsins nn TM1221222 211211s
