11.2光在电介质分界面上的反射和折射.ppt

11.2 光在电介质分界面上的反射和折射,当光波从一种介质传播到另外一种介质中的时候，由于介质的物理性质不同，即折射率n不同，光在两种电介质分界面上会产生传播方向、振幅、相位、能量和偏振性的变化。这都来自于光与介质相互作用的结果。,本教材抛开光与物质间相互作用的微观机制，用介电常数、磁导率和电导率等宏观量来表示大量原子的平均作用，根据麦克斯韦方程组和电磁场的边界连续条件进行讨论。,（一）电磁场的连续条件,在没有传导电流和自由电荷的两种介质中，磁感强度B和电感强度D的法线方向在界面上连续；电场强度E和磁场强度H的切向分量在界面上连续。,紧邻边界面的场矢量，均可以分解为垂直于边界的法向分量和平行于边界的切向分量；,（二）几个基本概念,（1）入射面 两个电解质分界面的法线与入射光线组成的平面（一般平行于纸面）。 （2）振动面 电场矢量的方向与入射光线组成的平面；或者电场矢量所在的平面。电矢量一般不在入射面内振动，振动面和入射面之间存在一定的夹角 （3）电场矢量的分解 任一方位振动的电场矢量E都可以分解成相互垂直的两个分量：通常把垂直于入射面振动的分量叫做 s 分量，记作Es；把平行于入射面振动的分量叫做 p 分量，记作Ep， 注意：不发生相位变化时，s，p，k三者满足右手螺旋关系（由p转到s）,入射光、反射光和折射光具有相同的频率,入射光、反射光和折射光三者波矢共面,反射定律,折射定律,两中折射率分别为n1（11）和n2（22）的介质均为均匀、透明、各向同性；入射光、反射光和折射光均为平面光波，其电场分别表示为,r 是界面上任意点的矢径,电磁场的边界条件：E的切向分量在界面上连续,（三）菲涅耳公式,光的电磁理论除了给出描述光在界面上传播方向的反射定律和折射定律外，还给出入射光、反射光和折射光之间的振幅、相位关系。,光波中电矢量和磁场矢量的正方向规定,（1）同一光波的波矢k，电矢量E和磁矢量B之间都必须满足右手螺旋关系； （2）所有垂直于入射面的场矢量的正向垂直于纸面向外；,（3）两个场同相位或者反相位的规定 同相位：场量的振幅比为正值，则场矢量取规定的正方向 反相位：场量的振幅比为负值，则场矢量取规定的反方向 同相位和反相位一般是相对于入射光波来说,s 分量和p分量的正方向如图所示,场量振幅的反射系数和透射系数分别定义为,s波的菲涅尔公式,利用类似方法，可以推出 p 分量的反射系数和透射系数表示式,当两种电解质满足1=2的时候可得菲涅尔公式,课后习题：第6题（反射和折射振幅比） 作业：第9题,折射波与入射波的振幅关系,不论光波以什么角度入射至界面，也不论界面两侧折射率的大小如何，s 分量相 p 分量的透射系数总是取正值,反射波与入射波的振幅关系,（1）不管界面两侧折射率的大小如何，在入射角=B 时，p分量的反射系数总会出现零值，表明此时反射波中没有p分量，产生全偏振现象。 （2）当n1时，在入射角=C 时，s和p分量的反射系数都为1。这表示产生了全反射现象,当光以某一持定角度 = B入射时，在反射光中不存在 p 分量，透射光中含有全部p波和部分s波,此时，入射角和相应折射角之和必须满足互为余角的关系，即B +2 = 900。利用折射定律，可得,该入射角 B 称为布儒斯特角。例如，当光由空气射向玻璃时，n=1.52，布儒斯特角为B = 56040。,当rs，rp，ts，tp随着入射角 的变化为正值的时候，即振幅之比为正，表明两种场同相位，相应的相位变化是零,反射波和折射波相对于入射波的相位变化,当rs，rp，ts，tp随着入射角 的变化为负值的时候，即振幅之比为负，表明两种场反相位，相应的相位变化是。,不论光波以什么角度入射至界面，也不论界面两侧折射率的大小如何，s 分量和 p 分量的透射系数总是取正值，因此，折射光相对于入射光总是同相位。,折射波相对于入射波的相位变化,ts 0，折射光中的s分量和入射光s分量方向相同 tp 0，折射光中的p分量和入射光p分量方向相同,所以，在入射点处，合成的透射光矢量 E 2相对入射光场 E1 同向，没有相位位发生 突变，或半波损失。,1= 0(或1非零,小角度入射) 的正入射情况,折射波相对于入射波的相位变化,不论光波以什么角度入射至界面，也不论界面两侧折射率的大小如何，s 分量和 p 分量的反射系数有正负情况的转化，因此，反射光相对于入射光的相位有相同和相反的转化。,反射波相对于入射波的相位变化,反射波相对于入射波的相位变化,s分量的反射系数小于零，说明反射光中的 s 分量相对于入射光中的s分量总是相位相反，或者说反射光中的 s 分量相对入射光中的 s 分量存在一个 相位突变,光疏介质传播到光密介质界面,p 分量的反射系数有正有负，即p分量相对于入射光的p分量存在相位相同和相位突变的情况,由于rs 0，反射光中的 p 分量与规定正方向相同（逆着反射光线看，指向右侧）。,所以，在入射点处，合成的反射光矢量 E 1相对入射光场 E1 反向，相位发生 突变，或半波损失。,1= 0(或1非零,小角度入射) 的正入射情况,光疏介质传播到光密介质界面,掠入射的情况,rs 0，rp 0，说明反射光中的 s 分量和p分量都与规定方向相反,在入射点处，入射光矢量 E1 与反射光矢量 E1 方向近似相反，将产生半波损失。,n1,n2,光疏介质传播到光密介质界面,反射波相对于入射波的相位变化,s分量的反射系数大于零，说明反射光中的 s 分量相对于入射光中的s分量总是相位相同，或者说反射光中的 s 分量相对入射光中的 s 分量不存在 相位突变,光密介质传播到光疏介质界面,p 分量的反射系数有正有负，即p分量相对于入射光的p分量存在相位相同和相位突变的情况,由于rs0，反射光中的 s 分量与规定方向相同（即为垂直纸面向外方向）； 由于rp 0，反射光中的 p 分量与规定正方向相反（逆着反射光线看，指向左侧）。,所以，在入射点处，合成的反射光矢量 E 1和入射光场 E1 同向，没有发生相位发生 突变，或半波损失。,1= 0(或1非零,小角度入射) 的正入射情况,光密介质传播到光疏介质界面,掠入射的情况,rs0，rp 0，说明反射光中的 s 分量和p分量都与规定方向相同,在入射点处，入射光矢量 E1 与反射光矢量 E1 方向近似相同，不产生半波损失。,光密介质传播到光疏介质界面,光在两种介质表面折射时不发生相位变化 光在两种介质表面反射时相位变化比较复杂： 不管两种介质折射率的大小如何，当光在一般角度的斜入射情况下，要根据菲涅尔公式讨论反射光相对于入射光的相位变化情况。 从光疏介质传播到光密介质界面上反射时，当光在接近正入射或者掠入射情况下，相对于入射光的电矢量，反射光的电矢量发生了半波损失。,能量关系：反射比和透射比,在利用菲涅耳公式讨论反射率和透射率的过程中，不计吸收、散射等能量损耗，因此，入射光能量在反射光和折射光中重新分配，而总能量保持不变。,反射比,透射比,在利用菲涅耳公式可以写出s波和p波的反射比和透射比表示式,对于自然光入射情况下，对所有可能的方位角取值所对应的反射比取平均得自然光反射比,当正入射时，自然光的反射比为,对所有可能的方位角取值所对应的透射比取平均得自然光透射比,当n1n2时，入射角存在一个临界角c，当入射角 c时，光波发生全反射。,全反射,由折射定律知,全反射的反射比变化,当入射角大于 c时，反射比永远等于1（光在界面上发生全反射时确实不损失能量）,全反射形成的倏逝波,全反射时，光波场将送入到第二个介质很薄的一层内（约为光波波长），并沿着界面传播一段距离（古斯一哈思斯位移），再返回第一个介质。这个透入到第二个介质中表面层内的波叫倏逝波。,沿 x 方向传播的速度为,倏逝波沿 x 方向的波长为,定义倏逝波沿 z 方向衰减到表面强度1/e 处的深度为倏逝波在第二个介质中的穿透深度。,全反射的相位变化,并且有,发生全反射时，反射光强等于入射光强,而反射光的相位变化较复杂。,在全反射时，反射光中的 s 分量和 p 分量的相位变化不同，它们之间