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.pptx

二、二、菲涅耳公式菲涅耳公式表示反射波、折射波与入射波的振幅和位相关系表示反射波、折射波与入射波的振幅和位相关系 1 1.E E为为s s波波,H,H为为p p波波的菲涅耳公式的菲涅耳公式s态态振动矢量垂直于入射面振动矢量垂直于入射面p态态振动矢量在入射面内振动矢量在入射面内规定：把 分解为分解为s波和波和p波，波，S 分量与分量与 p 分量相互独立分量相互独立第一页，共四十一页。*光波的光波的振动面振动面是指电场矢量的方向与入射光线组成的平面。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。都可以分解成互相垂直的两个分量。*光波的光波的入射面入射面是指界面法线与入射光线组成的平面。是指界面法线与入射光线组成的平面。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。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。称称平行于入射面振动的分量平行于入射面振动的分量为光矢量的为光矢量的p分量，记为分量，记为EP。称称垂直于入射面振动的分量垂直于入射面振动的分量为光矢量的为光矢量的s分量，记为分量，记为ES。二二、菲涅耳公式、菲涅耳公式第二页，共四十一页。E E、H H矢量在界面处切向连续矢量在界面处切向连续反射和折射不改变反射和折射不改变E、H的振动态的振动态1.E E为为s s波波,H,H为为p p波波的菲涅耳公式的菲涅耳公式第三页，共四十一页。S S波的振幅反射系数波的振幅反射系数S S波的振幅透射系数波的振幅透射系数第四页，共四十一页。2 2.E E为为p p波波,H,H为为s s波的菲涅耳公式波的菲涅耳公式P P波的振幅反射系数波的振幅反射系数P P波的振幅透射系数波的振幅透射系数第五页，共四十一页。即即振幅反射率振幅反射率振幅透射率振幅透射率s波波振幅反射率振幅反射率振幅透射率振幅透射率p波波第六页，共四十一页。利用关系利用关系菲菲涅涅耳耳公公式式第七页，共四十一页。对于对于 的垂直入射的特殊情况，可得的垂直入射的特殊情况，可得相对折射率相对折射率第八页，共四十一页。菲涅耳公式给出反射波或折射波与入射波的振幅的相对变化，菲涅耳公式给出反射波或折射波与入射波的振幅的相对变化，用振幅反射、透射系数来表示，并随入射角而变。用振幅反射、透射系数来表示，并随入射角而变。三、三、菲涅耳公式菲涅耳公式的讨论的讨论菲涅耳公式以入射角表示菲涅耳公式以入射角表示：第九页，共四十一页。由由菲菲涅涅耳耳公公式式分分别别得得到到n n nnn 两两种种情情况况下的下的r r、t t 曲线曲线第十页，共四十一页。当当 时，即掠入射时，时，即掠入射时，即即没有折射光波。没有折射光波。当当 时，即垂直入射时，时，即垂直入射时，都不为零，表示都不为零，表示存在反射波和折射波。存在反射波和折射波。1 1n n nnn 的情况的情况第十三页，共四十一页。（3 3）相位变化）相位变化 随着随着1 1的变化会出现正值或负值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），相应的相位值），或者反相位（振幅比取负值），相应的相位变化或是零或是变化或是零或是第十四页，共四十一页。布儒斯特布儒斯特(D.Brewster)角角全反射临界角全反射临界角从从光密到光疏光密到光疏n1n2第十五页，共四十一页。对于折射波，对于折射波，都是正值，说明折射波和入射波的相位总是相同，都是正值，说明折射波和入射波的相位总是相同，其其s s波和波和p p波的取向与规定的正向一致，光波通过波的取向与规定的正向一致，光波通过界面时，折射波不发生相位改变。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，对于反射波，要要区分区分n n1 1nn2 2和和n n1 1nn2 2两种情况，并注意两种情况，并注意 时的不同。时的不同。对所有的对所有的1 1都是负值，表明反射时都是负值，表明反射时s s波在界面上发生波在界面上发生了了 的位相变化。的位相变化。当当 n1n2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结论：当平面波在接近正入射或掠入射下从光疏介质与光疏介质与光密介质的光密介质的分界面反射时，反射光的电矢量相对于入射分界面反射时，反射光的电矢量相对于入射光的电矢量产生了光的电矢量产生了 的相位突变（半波损失：反射时损的相位突变（半波损失：反射时损失了半个波长）。失了半个波长）。如果光波是从如果光波是从光密介质入射到光疏介质光密介质入射到光疏介质，在正入射时反，在正入射时反射波的电矢量没有射波的电矢量没有 的相位突变，掠入射时发生全反射的相位突变，掠入射时发生全反射现象。现象。对于折射波，不管哪一种情况，电矢量都不发生位相突变。对于折射波，不管哪一种情况，电矢量都不发生位相突变。第二十页，共四十一页。4反射率和透射率反射率和透射率 反反射射波波、折折射射波波与与入入射射波的能量关系波的能量关系?考虑界面上一单位面积，设入考虑界面上一单位面积，设入射波、反射波和折射波的光强射波、反射波和折射波的光强分别为分别为 通过此面积通过此面积的光能为的光能为 入射波入射波第二十一页，共四十一页。反射波反射波透射波透射波界面上反射波、透射波的能流与入射波能流之比为界面上反射波、透射波的能流与入射波能流之比为第二十二页，共四十一页。当不考虑介质的吸收和散射时，根据能量守恒关系当不考虑介质的吸收和散射时，根据能量守恒关系P P波和波和s s波的反射比和透射比表示式为波的反射比和透射比表示式为第二十三页，共四十一页。同样有同样有假设入射光为自然光，可把自然光分成假设入射光为自然光，可把自然光分成s波和波和P波，它们的波，它们的能量相等，都等于自然光的一半，因此，反射率为能量相等，都等于自然光的一半，因此，反射率为第二十四页，共四十一页。自然光在自然光在 的区域内反射率几乎不变，约等于正入的区域内反射率几乎不变，约等于正入射的值。射的值。正入射时，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，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，一个包含由于反射面过多，光能量的损失也很严重。例如，一个包含6 6块透镜系统，反射面块透镜系统，反射面1212面，假设面，假设n=1.52n=1.52，光在各面入射角很，光在各面入射角很小，透过这一系统的光能量为小，透过这一系统的光能量为W W1 1为入射光能量，由于反射而损失的能量占为入射光能量，由于反射而损失的能量占41%41%。为减少光能量损失，近代光学技术普遍采用在光学元件外表为减少光能量损失，近代光学技术普遍采用在光学元件外表镀增透膜。镀增透膜。例如：例如：在空气在空气玻璃（玻璃（n=1.52n=1.52）界面反射的情况，）界面反射的情况，约约4%4%的光能量被反射。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、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。例：平行光以布儒斯特角从空气射到玻璃（n=1.5）上，求(1)能流反射率 和(2)求求 能能 流流 透透 射射 率率 、解 光以布儒斯特角入射时，反射光无p分量，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。假设光波从光密介质射向光疏介质，入射角大于临界角，假设光波从光密介质射向光疏介质，入射角大于临界角，入射光线将全部反射回原介质。入射光线将全部反射回原介质。1.5 1.5 全反射和隐失波全反射和隐失波一一、临界角临界角临界角临界角第二十九页，共四十一页。所有光线全部返回介质一，所有光线全部返回介质一，不存在折射光，不存在折射光，光在界面上发光在界面上发生全反射时不损失能量。生全反射时不损失能量。二、二、反射反射系数和位相变化系数和位相变化第三十页，共四十一页。在全反射条件下，两个分量有不同的位相变化，两分量的位在全反射条件下，两个分量有不同的位相变化，两分量的位相差为相差为当入射角为临界角或当入射角为临界角或900900时，两分量的位相差为时，两分量的位相差为0 0，假设入射光，假设入射光为线偏振光，反射光也为线偏振光。为线偏振光，反射光也为线偏振光。三、三、相位变化相位变化当入射角当入射角大于大于临界角时，两分量的位相差临界角时，两分量的位相差不不为为0 0或或 ，反射，反射光为光为椭圆椭圆偏振光。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全反射时，相移与入射角的关系因此，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。实验说明，在全反射时光波不是绝对地在界面上被全部反射实验说明，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。这个沿着第二介质外表流动的波称为隐失波。射出。这个沿着第二介质外表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，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。并具有特殊的形式。四、隐失四、隐失波波第三十三页，共四十一页。第三十四页，共四十一页。透射函数中透射函数中 已无实数意义已无实数意义.波函数化为：波函数化为：波沿x方向传播第三十五页，共四十一页。穿透深度穿透深度 第二介质中，波的振幅衰减到最大值的第二介质中，波的振幅衰减到最大值的1/e 时时的深度的深度 空域中迅速衰减的波空域中迅速衰减的波 隐隐失失波波波的振幅随波的振幅随z的增加呈指数衰减的增加呈指数衰减：介质介质1中的波长中的波长隐隐失失波波的波长的波长第三十六页，共四十一页。利用三棱镜，可以利用三棱镜，可以(a)a)改变路径的方向，改变路径的方向，(b)b)使看到的物体使看到的物体变为倒立，变为倒立，(c)c)同时改变路径的方向和使像变为倒立。许多光同时改变路径的方向和使像变为倒立。许多光学仪器利用全反射来改变光线的传播方向和使像倒转。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、全反射应用举例五、全反射应用举例第三十七页，共四十一页。第三十八页，共四十一页。光导纤维光导纤维n光纤可传导光能，传递光学图象，做成各种光纤传感器，在医光纤可传导光能，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。通信等方面得到广泛应用。光利用全反射可在弯曲的光纤光利用全反射可在弯曲的光纤内行进。内行进。第三十九页，共四十一页。利用倏逝波特性产生的受抑全反射效应能制成光利用倏逝波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。调制器或光输出耦合器。第四十页，共四十一页。内容总结二、菲涅耳公式。*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外表镀增透膜。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。