2022年医学专题—二、菲涅耳公式表示反射波、折射波与入射波的振幅和位相关.ppt

二、菲涅耳公式表示(biosh)反射波、折射波与入射波的振幅和位相关系 1.E为s波,H为p波的菲涅耳公式,s态振动(zhndng)矢量垂直于入射面p态振动矢量在入射面内,规定(gudng)：,把 分解为s波和p波，S 分量与 p 分量相互独立,第一页，共四十一页。,*光波的振动面是指电场矢量的方向(fngxing)与入射光线组成的平面。,*任一方位振动的光矢量E都可以(ky)分解成互相垂直的两个分量。,*光波的入射面是指界面法线与入射光线组成(z chn)的平面。,对任一光矢量，只要分别讨论两个分量的变化情况就可以了。,称平行于入射面振动的分量为光矢量的p分量，记为EP。称垂直于入射面振动的分量为光矢量的s分量，记为ES。,二、菲涅耳公式,第二页，共四十一页。,E、H矢量在界面(jimin)处切向连续,反射和折射(zhsh)不改变E、H的振动态,1.E为s波,H为p波的菲涅耳公式(gngsh),第三页，共四十一页。,第四页，共四十一页。,2.E为p波,H为s波的菲涅耳公式(gngsh),第五页，共四十一页。,即,振幅反射率,振幅透射率,第六页，共四十一页。,利用(lyng)关系,第七页，共四十一页。,对于(duy)的垂直入射的特殊情况，可得,相对(xingdu)折射率,第八页，共四十一页。,菲涅耳公式给出反射(fnsh)波或折射波与入射波的振幅的相对变化，用振幅反射(fnsh)、透射系数来表示，并随入射角而变。,三、菲涅耳公式(gngsh)的讨论,菲涅耳公式(gngsh)以入射角表示：,第九页，共四十一页。,由菲涅耳公式分别得到(d do)nn两种情况下的r、t曲线,第十页，共四十一页。,（1）nn的情况(qngkung),第十一页，共四十一页。,随1的增大而减小,随1的增大而增大，直到等于1,值在 时，有=0，即反射光波中没有p波，只有s波，产生全偏振现象。,第十二页，共四十一页。,当 时，即垂直入射时，都不为零，表示存在反射波和折射波。,当（c为2=900时对应的1）时，表示发生全反射现象，,有 都大于1，且随1的增大而增大,（2）nn的情况(qngkung),第十三页，共四十一页。,（3）相位变化 随着1的变化会出现正值或负值的情况，表明所考虑的两个场同相位（振幅比取正值），或者反相位（振幅比取负值），相应的相位变化或是零或是,第十四页，共四十一页。,布儒斯特(D.Brewster)角,全反射临界角,从光密到光疏,第十五页，共四十一页。,对于(duy)折射波，,都是正值，表明折射波和入射波的相位总是相同，其s波和p波的取向与规定的正向一致，光波(gungb)通过界面时，折射波不发生相位改变。,第十六页，共四十一页。,对于反射波，要区分n1n2和n1n2两种情况，并注意 时的不同。,对所有的1都是负值，表明反射时s波在界面上发生了 的位相变化。,第十七页，共四十一页。,当 时为正值，表明其相位变化为0。,当 时为负值，表明在界面上，反射光的p波有 相位变化。,当 时为零，表明反射光中没有平行于入射面的振动，而只有垂直于入射面的振动，即发生全偏振现象。,第十八页，共四十一页。,当入射角 时，位相改变既不是零也不是，而是随入射角有一个缓慢的变化，发生了全反射。,当入射角 时，s波和p波的相位变化情况与 时得到的结果相反，并且也有 时产生全偏振现象。,第十九页，共四十一页。,结论：当平面波在接近正入射或掠入射下从光疏介质与光密介质的分界面反射时，反射光的电矢量相对于入射光的电矢量产生了 的相位突变（半波损失：反射时损失了半个波长）。,如果光波是从光密介质入射到光疏介质，在正入射时反射波的电矢量没有 的相位突变，掠入射时发生全反射现象。,对于折射波，不论哪一种情况(qngkung)，电矢量都不发生位相突变。,第二十页，共四十一页。,（4）反射(fnsh)率和透射率,反射波、折射波与入射波的能量(nngling)关系?,考虑界面上一单位面积，设入射波、反射波和折射波的光强分别为 通过此面积的光能为 入射波,第二十一页，共四十一页。,第二十二页，共四十一页。,当不考虑介质的吸收和散射(snsh)时，根据能量守恒关系,P波和s波的反射(fnsh)比和透射比表示式为,第二十三页，共四十一页。,同样(tngyng)有,若入射光为自然光，可把自然光分成s波和P波，它们的能量相等，都等于自然光的一半(ybn)，因此，反射率为,第二十四页，共四十一页。,自然光在 的区域内反射率几乎不变，约等于正入射的值。正入射时，,第二十五页，共四十一页。,对于构造复杂的光学系统，即使接近于正入射下入射，由于反射面过多，光能量的损失也很严重。例如，一个包含6块透镜系统(xtng)，反射面12面，若n=1.52，光在各面入射角很小，透过这一系统(xtng)的光能量为,W1为入射光能量，由于反射(fnsh)而损失的能量占41%。,为减少光能量损失，近代(jndi)光学技术普遍采用在光学元件表面镀增透膜。,例如：在空气玻璃（n=1.52）界面反射的情况，约4%的光能量被反射。,第二十六页，共四十一页。,小结 光在介质界面上有反射和折射现象：1）反射或透射光波的振幅、强度(qingd)、能流可通过菲涅尔公式进行计算；2）由菲涅尔公式可知，当平面波在接近正入射或掠入射，从光疏介质与光密介质的分界面反射时，存在半波损失；3）当光以布儒斯特角入射时，反射光是完全偏振的，不管是从光密介质到光疏介质还是相反情况的反射，都存在布儒斯特角。,第二十七页，共四十一页。,解 光以布儒斯特角入射时，反射光无p分量(fn ling)，布儒斯特角为 s分量的能流反射率因能量守恒，故能流透射率,第二十八页，共四十一页。,若光波从光密介质射向光疏介质，入射角大于临界角，入射光线将全部(qunb)反射回原介质。,1.5 全反射和隐失波,一、临界角,临界角,第二十九页，共四十一页。,所有(suyu)光线全部返回介质一，不存在折射光，光在界面上发生全反射时不损失能量。,二、反射系数(xsh)和位相变化,第三十页，共四十一页。,在全反射条件下，两个分量有不同(b tn)的位相变化，两分量的位相差为,当入射角为临界角或900时，两分量(fn ling)的位相差为0，若入射光为线偏振光，反射光也为线偏振光。,三、相位(xingwi)变化,当入射角大于临界角时，两分量的位相差不为0或，反射光为椭圆偏振光。,第三十一页，共四十一页。,全反射时，相移与入射角的关系(gun x),因此(ync)，改变入射角可改变反射光的偏振态,第三十二页，共四十一页。,实验表明，在全反射时光波不是绝对地在界面上被全部反射回第一介质，而是透过第二介质约一个波长数量级的深度，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回第一介质，沿着反射光方向射出。这个沿着第二介质表面(biomin)流动的波称为隐失波。从电磁场的连续条件看，隐失波的存在是必然的。因为电场和磁场不会在两介质的界面上突然中断，在第二介质中应有透射波存在，并具有特殊的形式。,四、隐失波,第三十三页，共四十一页。,第三十四页，共四十一页。,透射函数中 已无实数意义.,波函数化为：,波沿x方向(fngxing)传播,第三十五页，共四十一页。,穿透深度 第二介质中，波的振幅(zhnf)衰减到最大值的1/e 时的深度,空域中迅速(xn s)衰减的波 隐失波,波的振幅(zhnf)随z的增加呈指数衰减,隐失波的波长,第三十六页，共四十一页。,利用三棱镜，可以(a)改变路径的方向，(b)使看到的物体变为倒立，(c)同时改变路径的方向和使像变为倒立。许多(xdu)光学仪器利用全反射来改变光线的传播方向和使像倒转。,(a),(c),(b),五、全反射应用(yngyng)举例,第三十七页，共四十一页。,第三十八页，共四十一页。,光纤可传导(chundo)光能，传递光学图象，做成各种光纤传感器，在医学（用于医疗诊病用的内视镜）、精密测量、计算机以及光纤通信等方面得到广泛应用。,光利用全反射可在弯曲(wnq)的光纤内行进。,第三十九页，共四十一页。,利用倏逝波(sh b)特性产生的受抑全反射效应能制成光调制器或光输出耦合器。,第四十页，共四十一页。,内容(nirng)总结,二、菲涅耳公式(gngsh)。*光波的振动面是指电场矢量的方向与入射光线组成的平面。*任一方位振动的光矢量E都可以分解成互相垂直的两个分量。*光波的入射面是指界面法线与入射光线组成的平面。为减少光能量损失，近代光学技术普遍采用在光学元件表面镀增透膜。例如：在空气玻璃（n=1.52）界面反射的情况，。从电磁场的连续条件看，隐失波的存在是必然的。波的振幅随z的增加呈指数衰减,第四十一页，共四十一页。,