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n211,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的变