전송행렬법(광학)
Transfer-matrix method (optics)
전달행렬법은 광학 및 음향학에서 층화매체를 [1]통한 전자파 또는 음향파의 전파를 분석하기 위해 사용되는 방법이다.이것은 예를 들어 반사 방지 코팅 및 유전체 거울의 설계와 관련이 있다.
2개의 매체 간의 단일 인터페이스로부터의 빛의 반사는 프레넬 방정식으로 설명됩니다.단, 그림처럼 인터페이스가 여러 개 있는 경우 반사 자체도 부분적으로 전송되어 부분적으로 반영됩니다.정확한 경로 길이에 따라 이러한 반사는 파괴적 또는 건설적으로 간섭할 수 있습니다.레이어 구조의 전체 반사는 무한히 많은 반사의 합입니다.
전달 매트릭스 방법은 맥스웰 방정식에 따르면 한 매체에서 다음 매체까지의 경계를 가로지르는 전기장에 대한 단순한 연속성 조건이 있다는 사실에 기초한다.레이어 시작 부분에서 필드가 알려진 경우 레이어 끝의 필드는 단순한 매트릭스 연산에서 파생될 수 있습니다.레이어 스택은 개별 레이어 매트릭스의 산물인 시스템 매트릭스로 나타낼 수 있습니다.이 방법의 마지막 단계는 시스템 매트릭스를 반사 및 전달 계수로 다시 변환하는 것을 포함합니다.
전자파에 대한 형식주의
아래는 전송 매트릭스가 정상 입사 시 층을 통해 전파되는 특정 주파수의 전자파(예를 들어 빛)에 어떻게 적용되는지 설명합니다.각도로 입사, 흡수 매체 및 자기 성질을 가진 매체를 다루도록 일반화할 수 있습니다.스택 레이어는에 대해 정상이며, 한 레이어 내의 필드는 파형 kk의 좌우 이동 파형의 중첩으로 표현될 수 있다고 가정합니다.
Maxwell의 방정식에 따르면 E(\ E와 자기장(그 정규화 ) d dz { H =1} { {dE} {는 경계를 가로지르는 연속이어야 하기 때문에 편리합니다. ( ){ 여기서
- ( ) Z k - e - \ H ( z ) = E_
와 E\에 된 두 개의 방정식이 있으므로 이 두 표현은 동일합니다.새로운 표현에서는 L(\ L에서 z z의 의 방향으로의 전파를 특수 선형군 SL(2, C)에 속하는 행렬로 기술한다.
그리고.
이러한 매트릭스는 k가 매질 내의 파형 이고 L L 레이어의 두께인 레이어를 통한 전파를 나타낼 수 있습니다.레이어가 있는 의 경우 각 에는 전송매트릭스 M_가 있으며 서 j(\ j는 더 높은 z 값으로 증가합니다.시스템 전송 매트릭스는 다음과 같습니다.
일반적으로 레이어 구조의 반사율과 투과율을 알고 싶습니다.레이어 스택이 z {\ z에서 된 경우 의z {\ z의 경우필드는 다음과 같습니다.
서 0은 들어오는 파형의 진폭, r은 레이어 구조의 진폭(강도가 아님) 반사 계수입니다.레이어 구조의 다른 쪽에서는 필드가 오른쪽 전파 전송 필드로 구성됩니다.
서 t{\ t는 진폭 투과율, {R은 맨 오른쪽 매체의 파형 , L{\(\ L은 총 두께입니다. L Z E z {\{L} = {인 및 Z d z {\{R}= frac 그러면 해결할 수 있습니다.
시스템 의 매트릭스 n M_과 관련하여 다음을 구합니다.
그리고.
투과율 및 반사율(즉, 레이어에 의해 전달 및 반사된 입사 E E_^{의 분율)은 종종 보다 실용적이며 k t 2(\ T ={R에 의해 .^{ R 발생 시
예
예를 들어 굴절률 n과 두께 d를 가진 단일 유리층을 파수 k(공기 중)로 공기 중에 부유시킨 것으로 한다.유리에서 파형 번호는 k k'= )입니다. 전송 매트릭스는 다음과 같습니다.
- ( sin ( k ) / - k sin d)( M \ ( { \ {} {} \ & \ cos k \ { k')
진폭 반사 계수는 다음과 같이 단순화할 수 있습니다.
- ( / - ) ( ) sin ( n+ / ) 、 ( ) ( n + 1 / ) ) 2 \
이 구성은 효과적으로 Fabry-Péro 간섭계 또는 에탈론을 기술합니다.k , , , \ k'd= 0 , , 2 \pi , \ ,의 반사가 사라집니다.
음파
음파에 전달 매트릭스법을 적용할 수 있다.전계 E 및 그 미분 F 대신 변위 및 응력 서 \displaystyle 는 p파 계수)를 사용해야 합니다.
아벨 행렬 형식주의
Abeles 매트릭스[2][3][4] 방법은 수직 운동량 전달의z 함수로서 계층화된 인터페이스에서 스펙트럼 반사율을 계산적으로 빠르고 쉽게 계산할 수 있는 방법입니다. Q:
여기서 θ는 입사 방사선의 입사/반사 각도이고 θ는 방사선의 파장이다.측정된 반사율은 인터페이스에 수직인 산란길이밀도(SLD) 프로파일의 변동에 따라 달라집니다.산란길이밀도 프로파일은 통상적으로 연속적으로 변화하는 함수이지만, 표면구조는 종종n 두께(d), 산란길이밀도n(θ) 및 거칠기n,n+1(θ)의 층이 초상과 부상 사이에 끼어 있는 슬래브 모델에 의해 잘 근사될 수 있다.그런 다음 각 층을 설명하는 매개변수를 변경하여 이론적 반사율 곡선과 측정된 반사율 곡선 사이의 차이를 최소화하기 위한 정제 절차를 사용한다.
이 설명에서는 인터페이스가 n개의 레이어로 분할되어 있습니다.입사 중성자 빔은 각 층에 의해 굴절되기 때문에 층 n의 파동 벡터 k는 다음과 같이 구해진다.
다음으로 레이어 n과 n+1 사이의 플레넬 반사 계수를 다음에 나타냅니다.
각 레이어 간의 인터페이스가 완전히 평활할 가능성은 낮기 때문에 각 인터페이스의 거칠기/확산성은 프레넬 계수를 수정하고 Nevot and Croce(1980)에 의해 기술된 오류 함수에 의해 설명됩니다.
각 층의 두께를 설명하는 위상 인자 β가 도입된다.
서 i 2 - {\ i}=- 각 층에 대해 특성 행렬 c가n 계산됩니다.
결과 행렬은 이러한 특성 행렬의 곱으로 정의됩니다.
반사율은 다음과 같이 계산됩니다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- ^ Born, M.; Wolf, E., 광학 원리: 빛의 전파, 간섭 및 회절의 전자기 이론.옥스퍼드, 퍼가몬 출판사, 1964년
- ^ 오에스 천국박막의 광학 특성.런던, 버터워스(1955년).
- ^ Névot, L.; Croce, P. (1980). "Caractérisation des surfaces par réflexion rasante de rayons X. Application à l'étude du polissage de quelques verres silicates". Revue de Physique Appliquée (in French). EDP Sciences. 15 (3): 761–779. doi:10.1051/rphysap:01980001503076100. ISSN 0035-1687.
- ^ Abelès, Florin (1950). "La théorie générale des couches minces" [The generalized theory of thin films]. Journal de Physique et le Radium (in French). EDP Sciences. 11 (7): 307–309. doi:10.1051/jphysrad:01950001107030700. ISSN 0368-3842.
추가 정보
- 다층 반사율: 복잡한 굴절률을 가진 다층으로부터 투과 및 반사 확률을 도출하는 첫 번째 원리입니다.
- MIT 오픈 코스의 레이어드 재료 및 포토닉 밴드 다이어그램(강연 23) 전자, 광학 및 자기 재료 특성.
- MIT 오픈코스 나노-마크로 트랜스포트 프로세스에서 박막 및 멀티레이어를 통한 전자파 전파(강연 13)짧은 토론 음파를 포함합니다.
외부 링크
이 계산을 실행하는 컴퓨터 프로그램은 다음과 같습니다.
- FreeSnell은 입상 필름과 같은 고급 측면을 포함하여 전송 매트릭스 방식을 구현하는 독립 실행형 컴퓨터 프로그램입니다.
- Thinfilm은 전송 매트릭스 방법을 구현하는 웹 인터페이스로, 반사 및 투과 계수를 출력하고 타원형 파라미터 Psi 및 Delta도 출력합니다.
- Luxpop.com은 전송/전송 방식을 구현하는 다른 웹 인터페이스입니다.
- Python 및 Mathematica의 전송 매트릭스 계산 프로그램.
- EMPy(Electragnetic Python) 소프트웨어.
- motofit은 중성자 및 X선 반사계 데이터를 분석하기 위한 프로그램이다.
- OpenFilters는 광학 필터를 설계하기 위한 프로그램입니다.
- Py_matrix는 임의 유전체 텐서를 가진 다층용 전송 매트릭스 방법을 구현하는 오픈 소스 Python 코드입니다.이것은 플라스모닉 계산과 자기 플라스틱 계산을 위해 특별히 만들어졌습니다.
- 매트릭스 방법 및 네보-크로스 거칠기 근사(Emscripten을 통해 C에서 변환된 계산 커널)을 사용한 브라우저 내 계산기 및 핏터 Javascript 대화형 반사율 계산기