物理光学-全反射PPT课件

.,1,全反射,由前面的分析已知，当光由光密介质射向光疏介质时，会产生全反射现象。下面，进一步讨论全反射现象的基本特性。,.,2,入射角大于临界角的光线发生全反射,.,3,如前所述，光由光密介质射向光疏介质(n1n2)时，产生全反射的临界角c满足下述关系：,当1c时，必然会出现sin1n2/n1的现象，这显然是不合理的。,1.反射波,.,4,此时，折射定律n1sin1=n2sin2不再成立。但是，为了能够将菲涅耳公式应用于全反射的情况，在形式上仍然要利用关系式,1.反射波,为此，应将cos2写成如下的虚数形式,.,5,将(166)式代入菲涅耳公式，得到复系数,1.反射波,.,6,1.反射波,并且有,n=n2/n1是二介质的相对折射率；为反射光与入射光的s分量、p分量光场振幅大小之比。rs、rp为全反射时，反射光中的s分量、p分量光场相对入射光的相位变化。,.,7,由上式可见，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，大致规律如图所示。,1.反射波,.,8,应特别指出，在全反射时，反射光中的s分量和p分量的相位变化不同，它们之间的相位差取决于入射角1和二介质的相对折射率n，由下式决定：,因此，在n一定的情况下，适当地控制入射角1，即可改变，从而改变反射光的偏振状态。,1.反射波,.,9,例如，图所示的菲涅耳菱体就是利用这个原理将入射的线偏振光变为圆偏振光的。对于图示之玻璃菱体(n=1.51)，当1=54037(或48037)时，有=450。因此，垂直菱体入射的线偏振光，若其振动方向与入射面的法线成450角，则在菱体内上下两个界而进行两次全反射后，s分量和p分量的相位差为900，因而输出光为圆偏振光。,1.反射波,.,10,下图画出了几种不同值相应的椭圆偏振态。实际上，线偏振态和圆偏振态都是椭圆偏振态的特殊情况。,.,11,2.衰逝波,更深入地研究全反射现象表明：在发生全反射时，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，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（疏逝波）。,当光由光密介质射向光琉介质，并在界而上发生全反射时，透射光强为零。那么，在光疏介质中有无光场呢？,.,12,2.衰逝波,现假设介质界面为xOy平面，入射面为xOz平面，则在一般情况下可将透射波场表示为,考虑到(166)式后，上式可改写为,.,13,2.衰逝波,这是一个沿着z方向振幅衰减，沿着界面x方向传播的非均匀波，也就是全反射时的衰逝波。,.,14,由此可以说明，在前面的讨论中，只有cos2取虚数形式，(166)式取正号。才可以得到这个客观上存在的衰逝波。,2.衰逝波,.,15,沿x方向传播的速度为,式中，、分别为光在第一个介质中的波长和速度。,由(172)式可见，衰逝波沿x方向的传播常数为，因此，它沿x方向传播的波长为,2.衰逝波,.,16,定义衰逝波沿z方向衰减到表面强度1/e处的深度为衰逝波在第二个介质中的穿透深度。穿透深度z0很容易由,2.衰逝波,例如，n1=1.52，n2=1，1=450时，z0=0.4。因此，衰逝波的穿透深度为波长的量级。,.,17,发生全反射时，光由第一个介质进入第二个介质的能量入口处和返回能量的出口处，相隔约半个波长，即如图所示，存在一个横向位移，此位移通常称为古斯一哈思斯位移。,2.衰逝波,.,18,在光电子技术中，光纤通信和光纤传感是非常重要的应用领域，而在光纤中的传光原理，正是基于全反射现象。,1）光纤传光原理,3全反射现象应用举例,.,19,光纤是如图所示的圆柱形光波导，由折射率为n1的纤芯和折射率为n2的包层组成，且有n1n2。当光线在子午面内由光纤端面进入光纤纤芯，并以入射角射到纤芯和包层界面上时，如果入射角大于临界角c，将全反射回到纤芯中，直至从另一端折射输出。,1）光纤传光原理,.,20,根据全反射的要求，对于光纤端面上光线的入射角，存在一个最大角M，它可根据全反射条件，由临界角关系求出：,当M时，光线将透过界面进入包层，并向周围空间产生辐射损耗，因此光纤不能有效地传递光能。,1）光纤传光原理,.,21,通常将n0sinM称为光纤的数值孔径(NA)，显然，数值孔径表示式为,式中,称为纤芯和包层的相对折射率差，一般光纤的值为0.010.05。