光波在介质界面上的反射和折射

1 2光波在介质界面上的反射和折射 一 基本电磁规律二 反射定律和折射定律三 Fresnel公式1 s波2 p波3 全透射4 全反射5 入射角对反射系数和透射系数幅值的影响6 入射角对反射系数相位的影响四 反射率和透射率 2 菲涅耳 法国1788 1827 菲涅耳曾任土木工程师 1814年开始研究光学实验和理论 1823年被选为巴黎科学院院士 1825年被选为英国皇家学会会员 菲涅耳对光的本性进行了研究 独立提出光的波动说 完成了光是横波的理论 他发展了惠更斯理论 对光的偏振和双折射现象 旋光理论都有深刻的研究 一 基本电磁规律 1 场的表示 2 边值关系一般形式 3 相位关系 4 幅值关系 IncidenceReflectiontransmission 4 斯涅尔定律的推导 上式必须对整个界面成立 选界面为z 0的平面 则上式应对任意时刻t和交界面上的任意点坐标 y z 都成立 因此 必须各项的指数因子中t y z的系数都分别相等 取入射波矢在xz平面上 有kiy kry kty 0 所以反射波矢和折射波矢都在同一平面上 二 反射定律和折射定律 1 基本关系 2 反射定律 入射 反射 折射波矢量共面 3 折射定律 1 Fresnel公式 s波 1 基本关系 2 反射系数和透射系数 7 菲涅尔 Fresnel 公式 E 入射面 8 菲涅尔 Fresnel 公式 E 入射面 2 Fresnel公式 p波 1 基本关系 2 反射系数和透射系数 10 菲涅尔 Fresnel 公式 E 入射面 11 布儒斯特 Brewster 定律 自然光在两种各向同性媒质分界面上反射 折射时 反射光和折射光都是部分偏振光 反射光中垂直振动多于平行振动 折射光中平行振动多于垂直振动 12 布儒斯特 Brewster 定律 当入射角满足关系式时 反射光为振动垂直于入射面的线偏振光 该式称为布儒斯特定律 i0为起偏振角或布儒斯特角 当光线以起偏振角入射时 反射光和折射光的传播方向互相垂直 即 13 菲涅尔 Fresnel 公式分析 由斯涅耳法则可知 上述情况是在入射角满足下列条件时产生的 以布儒斯特角入射的任意偏振光的反射光将是纯直线偏振光 利用这一原理 使用多层膜结构 可以制成使s偏振光几乎100 反射 使p偏振光透射的偏振光束分离器 此外 布儒斯特角还用在使激光器无反射损耗地透射窗口 14 布儒斯特 苏格兰1781 1868 布儒斯特是苏格兰物理学家 1781年12月11日出生于苏格兰杰德伯勒 1800年毕业于爱丁堡大学 曾任 爱丁堡杂志 苏格兰杂志 爱丁堡百科全书 编辑 爱丁堡大学教授 校长等 1815年被选为皇家学会会员 1819年获冉福德奖章 布儒斯特主要从事光学方面的研究 1812年发现当入射角的正切等于媒质的相对折射率时 反射光线将为线偏振光 现称为布儒斯特定律 他研究了光的吸收 发现人为各向异性介质中的双折射 1816年发明万花筒 1818年发现双轴晶体 1826年制造出马蹄形电磁铁 1835年制造出灯塔用透镜 1849年改进了体视镜 3 全透射 Brewster角 1 定义 当rp等于零时的入射角 也称Brewster角 qB 2 大小 3 应用 16 3 全反射 设光波从光密介质射向光疏介质 n1 n2 折射角 2大于入射角 1 当sin 1 n2 n1时 2为90o 这时折射角沿界面掠过 若入射角再增大 使sin 1 n2 n1 这时不能定义实数的折射角 使 2 90o的入射角 1称为临界角 记作 c即 当 1 c时 没有折射光 入射光全部返回介质1 这个现象为全反射 4 全反射 1 定义 当透射波传播方向和法线夹角等于90度时发生的物理现象 发生全反射的最小角度称为临界角 qc 2 大小 3 应用 rs rp ts tp随入射角 1变化曲线 5 入射角对反射系数和透射系数幅值的影响 19 菲涅尔 Fresnel 公式分析 菲涅尔公式同时也给出了入射波 反射波和折射波的相位关系 半波损失在E 入射面的情况 为当 2 1时 1 2 因此 E 1 E1为负数 即反射波电场与入射波电场反相 这现象即为反射过程中的半波损失 6 入射角对反射系数相位的影响 图1 28 rs rp随入射角 1的变化 四 反射率和透射率 1 定义式