전송행렬법(광학)

Transfer-matrix method (optics)
레이어를 통한 광선의 전파

전달행렬법은 광학 음향학에서 층화매체[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 반사프레넬 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 입사을 통해 전파되는 특정 주파수의 전자파(예를 들어 빛)에 어떻게 적용되는지 설명합니다.각도로 입사, 흡수 매체자기 성질을 가진 매체를 다루도록 일반화할 수 있습니다.스택 레이어는에 대해 정상이며, 한 레이어 내의 필드는 파형 kk 좌우 이동 파형의 중첩으로 표현될 수 있다고 가정합니다.

Maxwell의 방정식에 따르면 E(\ E와 자기장(그 정규화 ) d dz { H =1} { {dE} { 경계를 가로지르는 연속이어야 하기 때문에 편리합니다. ( ){ 여기서

( ) Z k - e - \ H ( z ) = E_

와 E\ 된 두 개의 방정식이 있으므로 이 두 표현은 동일합니다.새로운 표현에서는 L(\ L에서 z z 의 방향으로의 전파를 특수 선형군 SL(2, C)에 속하는 행렬로 기술한다.

그리고.

이러한 매트릭스는 k 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(\ j 더 높은 z 값으로 증가합니다.시스템 전송 매트릭스는 다음과 같습니다.

일반적으로 레이어 구조의 반사율투과율을 알고 싶습니다.레이어 스택이 z {\ z에서 된 경우 z {\ z의 경우필드는 다음과 같습니다.

0 들어오는 파형의 진폭, r 레이어 구조의 진폭(강도가 아님) 반사 계수입니다.레이어 구조의 다른 쪽에서는 필드가 오른쪽 전파 전송 필드로 구성됩니다.

서 t{\ t 진폭 투과율, {R 맨 오른쪽 매체의 파형 , L{\(\ L 총 두께입니다. L Z E z {\{L} = { Z d z {\{R}= frac 그러면 해결할 수 있습니다.

시스템 의 매트릭스 n M_ 관련하여 다음을 구합니다.

그리고.

투과율 및 반사율(즉, 레이어에 의해 전달 및 반사된 입사 E E_^{ 분율)은 종종 보다 실용적이며 k t 2(\ T ={R에 의해 .^{ R 발생 시

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 \

구성은 효과적으로 Fabry-Péro 간섭계 또는 에탈론을 기술합니다.k , , , \ k'd= 0 , , 2 \pi , \ , 반사가 사라집니다.

음파

음파에 전달 매트릭스법을 적용할 수 있다.전계 E 및 그 미분 F 대신 변위 응력 \displaystyle p파 계수)를 사용해야 합니다.

아벨 행렬 형식주의

계층화 인터페이스로부터의 반사

Abeles 매트릭스[2][3][4] 방법은 수직 운동량 전달z 함수로서 계층화된 인터페이스에서 스펙트럼 반사율을 계산적으로 빠르고 쉽게 계산할 수 있는 방법입니다. Q:

여기서 θ입사 방사선의 입사/반사 각도이고 θ는 방사선의 파장이다.측정된 반사율은 인터페이스에 수직인 산란길이밀도(SLD) 프로파일변동에 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 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

  1. ^ Born, M.; Wolf, E., 광학 원리: 빛의 전파, 간섭회절의 전자기 이론.옥스퍼드, 퍼가몬 출판사, 1964년
  2. ^ 오에스 천국박막의 광학 특성.런던, 버터워스(1955년).
  3. ^ 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.
  4. ^ 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

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 Mathematica전송 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 브라우저계산기핏터 Javascript 대화형 반사율 계산기