光波与相位样本的相互作用

2022-11-04 14:55:21 浏览:272

前言

遇到相试样时,入射照明波前会根据试样的几何形状、折射率和厚度而变形。本交互式教程探讨了在波前形状中观察到的各种变形,因为具有不同特征的标本被平面光束照射。

 

 

教程说明

本教程初始化时,窗口中出现一个矩形试样(由深灰色框表示),其任意折射率为 1.50(近似于玻璃块的折射率)。标本周围环绕着折射率较低的介质(默认为1.30)。一系列连续的平面波前撞击并穿过从窗口左侧到右侧的标本。当每个波前通过试样时,它会根据试样的几何形状、折射率差和厚度进行变形和延迟(或提前)。

为了操作本教程,请使用滑块、单选按钮和下拉菜单更改标本和周围介质参数,以诱导与标本相互作用的波前发生变化。试样宽度和试样高度滑块控制这些几何参数,可用于对试样和相应的波前形状产生简单的线性变化。增加折射率高于周围介质的试样的宽度会在通过试样的波前部分产生更大的延迟。相反,对折射率低于介质的试样进行相同的操作将推进波前。增加试样的高度会导致平行于波前的方向上的变形更大。

可以使用环绕 RI: 试样 RI滑块调整试样与周围介质之间的折射率比。试样折射率范围为1.20至1.50,而周围的介质折射率固定为1.30(近似缓冲盐水)。波前样式可以使用一对单选按钮在平面波前和线性波前之间切换,平面波前具有强度逐渐降低的锋利前缘,由一条线表示。可以使用试样形状下拉菜单选择多种试样几何形状,包括矩形、复杂和椭圆形。

照明光束中存在的入射波前在通过相样品时分为两个部分。主要成分是未偏离(或未衍射;零阶)平面波前,通常是指穿过试样并围绕标本但不相互作用的环绕波(S)。此外,还会产生偏差或衍射波前(D波),其散射在宽弧上(在许多方向上),随着试样尺寸的增加而增加。

非吸收性透明相位试样散射的入射光相对于那些不直接与构成试样的原子和分子相互作用的光波,相位延迟四分之一波长。以类似于光通过介质传播的方式,散射涉及光波与原子的相互作用以及随后该原子重新发射光。当电磁波(例如包括入射光波的电磁波)与原子或分子相互作用时,电子以振荡方式易位以响应波的变化电场。当电子首先在一个方向上加速,然后在另一个方向上加速时,新的电磁波被重新发射。当电子静止时,发射场为零。因此,产生的电磁辐射与电荷速度的变化率或电荷的加速度成正比。因为在简单的谐波运动中,加速度比速度落后四分之一波长,所以发射的光波落后于入射波的相应四分之一波长。

光波与相位样本的相互作用

图1 相位试样的波前延迟

当照明波前进入非吸收介质(例如水中的薄玻璃板)时,在每个水平面上,板中的一些原子与入射光波相互作用并重新发射相位延迟四分之一波长的光。每个原子充当点源,发射的小波共同形成一个新的平面波,该平面波落后于穿过玻璃板中原子或围绕玻璃板原子的入射波前四分之一波长。这种新延迟的波前振幅较低,并且会与入射波前产生干扰,从而产生被波长的一小部分(约二十分之一)延迟的波前,如图1(a)所示。由于相消干扰,横向散射基本上为零。对于浸入水中的薄玻璃板,最终结果是入射波前中略微浮雕的区域(见图1(b))。重述一下,波前的浮雕部分可以看作是入射波前(零阶光)和被四分之一波长延迟的散射或衍射光的低振幅波前的总和。随着该过程的不断重复(对于较厚和不规则的试样),产生的波前相对于不穿过试样的波前越来越延迟。

平板玻璃板包含许多原子平面,这些原子平面在二维空间中跨越大区域。然而,该板(与大多数生物和材料标本一样)也包含带有原子的边缘,这些原子散射的光相对于入射波前延迟了四分之一波长。在边缘产生的小波向所有方向传播,但不形成沿光轴或入射波前方向传播的平面波。由样品边缘衍射的光相对于零阶入射照明被四分之一波长延迟,边缘越厚,该衍射光的强度越大。较厚的试样比较薄的试样衍射更多的光,但相位关系保持不变(延迟四分之一波长)。

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