反射率和透射率.ppt

1 2 3反射率和透射率 现在 进一步讨论反映它们之间能量关系的反射率和透射率 在讨论过程中 不计吸收 散射等能量损耗 菲涅耳公式给出了入射光 反射光和折射光之间的场振幅和相位关系 如图 若有一个平面光波以入射角 1斜入射介质分界面 平面光波的强度为Ii 则每秒入射到界面上单位面积的能量为 Wi Iicos 1 应用光强和振幅之间的关系 同理 反射光和折射光的能量表示为 由此得到反射率 透射率分别为 将菲涅耳公式代入 即可得到入射光中s分量和p分量的反射率表示式分别为 s分量和p分量的透射率表示式分别为 由反射率公式得到 决定光在界面上的反射 透射特性的因素有 入射光偏振态入射角两侧折射率 R随入射角 1的变化关系 讨论1 可见 一般 小角度入射和大角度入射 掠入射 时 正入射 1 0 时 n1 1 讨论2 布儒斯特定律当 1 B时 Rs和Rp相差最大 且Rp 0 在反射光中不存在p分量 B称为布儒斯特 Brewster 角 例如 当光由空气射向玻璃时 n1 1 n2 1 52 布儒斯特角 B 56 40 利用折射定律 可得该特定角度满足 1 2 4反射和折射的相位特性 折射光与入射光的相位关系2 反射光与入射光的相位关系 由图可以看出 在入射角从0 到90 的变化范围内 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t总是取正值 因此 折射光总是与入射光同相位 1 折射光与入射光的相位关系 2 反射光与入射光的相位关系 1 反射光和入射光中s p分量的相位关系2 反射光和入射光的相位关系3 薄膜上下表面的反射 1 反射光和入射光中s p分量的相位关系 a 光由光疏到光密 n1 n2 b 光由光密到光疏 n1 n2 1 B rp 0 p分量有 相位突变 rp B 1 C rp 0 p分量同相 0 1 C rs 0 说明反射光中的s分量与入射光中的s分量同相位 2 反射光和入射光的相位关系前面讨论了反射光中s p分量的相位情况 下面确定在界面入射点处的反射光 合成 场与入射光 合成 场的相位关系 仅考虑小角度和大角度入射的反射特性 n1 n2 rs 0 rp 0 反射光的s分量和p分量均与入射光相同 因此合成光与入射光矢量同向 无 相位突变 n10 反射光的s分量和p分量均与入射光相反 因此合成光也与入射光矢量反向 产生 相位突变 即半波损失 小角度入射的反射特性 若n1 n2 1 90 rs rp rs 0 rp 0 因此 在入射点处 入射光矢量Ei与反射光矢量Er方向近似相反 即掠入射时的反射光在n1 n2时 将产生半波损失 大角度入射 掠入射的反射特性 n1 n2 3 薄膜上下表面的反射 n1 n2 3 薄膜上下表面的反射 1 2 5反射和折射的偏振特性 1 偏振度 完全非偏振光 自然光 部分偏振光完全偏振光 各个振动方向上的振幅在观察时间内的平均值相等 初相位完全无关 各个振动方向上的振动强度不相等 有确定不变或有规则变化的振动方向 线偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光 完全非偏振光Ws Wp部分偏振光Ws Wp完全偏振光Ws 0或Wp 0 光波能量可表示为 W Ws Wp 将任意光场矢量看作两正交分量的叠加如s分量和p分量 P 0 0 P 1 P 1 2 反射和折射光的偏振特性 入射能量Wi Wis Wip 且Wis Wip 反射光偏振度 自然光 折射光偏振度 自然光的反射 折射和偏振特性 1 正入射和掠入射时 Rs Rp Ts Tp 反射光和折射光均为自然光 2 一般斜入射时 Rs Rp 0 Ts Tp 0 反射光和折射光均为部分偏振光 自然光的反射率 自然光的反射 折射和偏振特性 3 以 1 B入射时 Rp 0 Pr 1 反射光为完全偏振光 折射光为部分偏振光 例 光由空气射向玻璃 B 56 40 Rs 15 反射光 透射光Irp 0 Itp Iip 0 5Ii Its Iis Irs 0 5Ii 0 075Ii 0 425Ii 应用举例 线偏振光的获得 外腔式气体激光器的布儒斯特窗口 E0is E0ip 入射角 1 40 2 反射和折射光的偏振特性 线偏振光 rs 0 2845 rp 0 1245 E0rs rsE0is 0 2845E0isE0rp rpE0ip 0 1245E0ip 一般规定方位角的变化范围 2 2 线偏振光入射时 反射光和折射光均为线偏振光 但其振动方向发生变化 反射光透射光 1 2 6 全内反射现象 1 反射波2 衰逝波 1 反射波光由光密介质射向光疏介质 n1 n2 时 产生全反射 当 1 C时 有sin 1 n2 n1 折射定律不再成立 为了仍然能够运用菲涅耳公式 把cos 2表示为虚数 代入菲涅耳公式 得到复反射系数 其中 n n2 n1是二介质的相对折射率 振幅 相位 经两次全反射 s分量和p分量的相位差为90 全反射时 反射光中s分量和p分量之间的相位差 全反射应用1 光纤传输 光纤液面计原理图 发生全反射 不发生全反射 全反射应用2 光纤传感 2 衰逝波 发生全反射时 透射光强为零 那么 在光疏介质中有无光场呢 更深入地研究全反射现象表明 在发生全反射时 光波场将透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 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衰逝波 倏逝波 设分界面为xOy平面 入射面为xOz平面 应用cos 2的虚数形式 则有 随z衰减 沿x方向传播 v第一介质中的波长和速度 穿透深度 发生全反射时 光由1进入2的能量入口处和返回能量的出口处 相隔半个波长 存在一横向位移 即 古斯 哈恩斯位移 1 3光波在金属表面上的反射与折射 1 光波在金属中的传播2 光波在金属表面上的反射与折射 设金属是一种介电常数为 磁导率为 电导率为 的均匀各向同性介质 则物质方程中的J E必须予以考虑 麦克斯韦方程 1 4 式应为 对于频率为 的单色波 上式变为 1 光波在金属中的传播 若令复数 为 上式可改写为 可得金属中光波所满足的波动方程为 于是 可求得金属中单色平面光波的电场表式为 表明 金属中传播的单色平面光波是一个衰减的平面波 其中 n 表示光在金属中传播时的折射率 n 是描述光在金属中传播时衰减特性的量 它们都是光波频率 的函数 式中各量的解析表