光学_郭永康_5.光在各向同性介质界面的反射和折射

CH3 5 光在各向同性介质界面的反射折射reflectionanddiffractionattheinterfaceofisotropicdielectricsoflightwave 3 5光在各向同性介质界面的反射折射 菲涅耳公式 反射 折射 振幅 强度 能流 p态 振动矢量在入射面内s态 振动矢量垂直于入射面 TE波 E为s态 H为p态TM波 E为p态H为s态 任一偏振态的入射光均可依据正交分解看作TE和TM两种线偏振叠加 E H矢量在界面处切向连续 反射和折射不改变E H的振动态 一 反射 折射的振幅比菲涅耳公式 可得s光 振幅反射率 振幅透射率 同样分析TM光 可得p光 利用关系 1 Es和Ep是同一矢量E的s分量和p分量 频率相同 可以表瞬时量 也可表复振幅 2 正负随规定不同而不同 物理实质不变 3 S分量与p分量相互独立 菲涅耳公式以i1表示 三个特殊角度 1 正入射i1 0 不论内反射还是外反射 2 无论外反射和内反射都有一特殊角度 ib称为布儒斯特 D Brewster 角 3 对内反射 光密到光疏 存在一角度 ic称为全反射临界角 二 反射 折射能流比与光强比 光强正比于光振动振幅平方 注意 一般折射反射问题中 考虑不同折射率的影响 光强反射率 光强反射率光强折射率 光强透射率 能流反射率能流折射率 光通量 能流反射率 能量守恒 自然光入射 总能流反射率 自然光二正交线偏振分量强度相等 类似可得总光强反射率 由能量守恒 总光强透射率 注意 正入射时 无论外反射内反射 例如 在湖岸边观察水下物体时 近物要比远物更加清楚 相反 远处物体在湖面的倒影则比近物更加清晰 对空气 玻璃界面 R 0 04 T 0 96 外反射时 R一般随入射角i1的增加而增大 当即掠入射Rs和RP均趋近于1 例 1 求证 当光线以布儒斯特角入射时 折射光线与反射光线互相垂直 2 讨论当p光以布儒斯特角入射时 透射光与入射光的能流比和光强比 解 1 由折射定律 2 此时 即 能量全部进入第二种介质 注意到 光疏进入光密时 n21 1 Tp1 透射光强大于入射光强 三 反射光与折射光的相位变化 复振幅 1 折射光永无相移 透射光永远与入射光同相 2 反射光的相位变化 外反射 S光 反相 内反射 3 半波损失问题讨论 界面上反射波E矢量 s分量和p分量均发生振动方向反转 单个界面 1 外反射s分量和p分量都对入射波发生了反转 反射入射E反向 外反射有半波损失 内反射无半波损失 2 内反射s分量和p分量都未反向 反射入射E同向 3 透射波 无论发生外反射或内反射均无半波损失 同样方法可讨论掠入射的半波损失情况 介质板上下表面的反射和折射 光束1 2的附加程差为 光束2 3 4之间或1 2 3 之间附加程差均为零 单一界面 1 光从光疏介质射向光密介质 正入射及掠入射时 反射光均有半波损失 2 光从光密介质射向光疏介质 正入射时反射光无半波损失 3 任何情况下 透射光均无半波损失 介质板在均匀介质中 任何情况下 反射光1 2之间的光程差需计入半波损失 附加半波程差 光束2 3 4之间或1 2 3 之间无须引入附加程差 四 反射光与折射光的偏振状态 1 入射光为线偏振光 反射光仍为线偏振光 2 入射光为圆偏振光 为椭圆偏振光 旋向相同 3 入射光为自然光 反射为部分偏振光 s光强度大于p光强度 1 正入射时 外反射和内反射 及掠入射时 反射光和折射光都是自然光 2 以布儒斯特角入射 外反射和内反射 反射光为s态偏振光 折射光中p态偏振光占优势 五 全反射与隐逝波 全反射 结论 入射能量全部回到介质1 全内反射 全反射 一般 全反射对S光和P光引入相差 隐逝波 理想 全反射时 射向第二介质的能流全部返回到第一介质 没有流向第二介质的平均能流 透射函数中已无实数意义 波函数化为 穿透深度 第二介质中 波的振幅衰减到最大值的1 e时的深度 空域中迅速衰减的波 隐逝波 1 当光从第一种介质射向第二种介质时 光能全部反射吗 能全部透射吗 说明其条件 2 光从第一种介质射向第二种介质时 何时第二种介质中的光强大于第一种介质中的光强 3 改变视角观察水面倒影和水底物体 从而验证光强反射率随入射角