光在介质分界面上的反射与折射 ok.ppt

1、光在介质分界面上的反射与折射,（A）光在电介质分界面的反射与折射（第二节） （1） Snell定律（传播方向） （2）菲涅耳公式（振幅、位相、能量和偏振等） （3）全反射和倏逝波 （B）光在金属界面的反射与透射（第三节） （1）金属内的透射波（趋肤效应） （2）金属表面的反射,A）光在电介质分界面的反射与折射,连续条件：由麦式方程组可知，在没有传导电流和自由电荷的介质中，磁感应强度B和电位移矢量D的法向分量在界面上连续，而电场强度E 和磁场强度H的切向分量在界面上连续。,一. 电磁场的连续条件,E的两个分量Es和Ep,二. 光在两介质分界面上的反射和折射,概念： 1、入射面 2、任意方位振动的

2、E可分解为Es和Ep s波：E垂直于入射面的分量 p波：E平行于入射面的分量,由Es 在分界面两边的连续，有:,折射定律的推导,考虑Es分量：,上式对于分界面上的任意一点,都成立,能量守恒,折射方向角,波矢共面性,三. 菲聂耳公式及其讨论,(一).,菲涅耳公式反射、折射-振幅、强度、能流,E、H矢量在界面处切向连续,E连续,H连续,可得s光,振幅反射率,振幅透射率,同样分析p光,可得s光,振幅反射率,振幅透射率,同样分析TM光，可得p光,(非磁性物质满足),利用关系,菲涅耳公式以 表示,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.

3、 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。, 三个特殊角度,(1) 正入射 ，不论内反射还是外反射,因此：外反射时产生了pi相位改变半波损失,(2) 无论外反射和内反射都有一特殊角度,称为布儒斯特(D.Brewster)角,反射光只有垂直于入射面的振动而无平行于入射面的振动，为线偏振光。此时入射角称为布儒斯特角(或起偏角)。,(3) 对内反射(光密到光疏)，存在一角度,称为全反射临界角,布儒斯特角不同于全反射的临界角,当且仅当 时，反射光才是线偏振光。且 n1n2或n1n2都可以。,入射波,反射波,折射波,(四). 反射比与透射比,能量守恒,利用菲聂耳公式,可

4、得,可以证明,(五). 反射光与折射光的偏振关系,入射光为自然光 : 反射光中s光强度大于p光强度； 折射光中p态偏振光占优势。,(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。,任意极化的平面波总可分解为一个平行极化波与一个垂直极化波之和。当一个无固定极化方向的光波，或者说一束无偏振光，以布鲁斯特角向边界斜投射时，由于平行极化波不会被反射，因此反射波中只剩下垂直极化波。可见，采用这种方法即可获得具有一定极化特性的偏振光。 B(空气玻璃)56o,图11-13 波片堆,利用光在界面

5、上反射时产生的全偏振现象，为了获得一束强度较高的偏振光，可以使自然光通过一系列玻璃片重叠在一起的玻璃堆，并使入射角为起偏角，则透射光近似地为线偏振光。（透射光中的S波随着反射次数的增加越来越少，最后得到偏振程度高的平行于入射面振动的透射光）,玻片堆特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。,玻片堆的应用：起偏器，检偏器，偏振分束器，偏振激光器等。,四. 全反射与倏逝波,全反射,光从水中发出，以不同的入射角射向空气，所产生的折射和全反射的情形。,若入射角大于临界角，则找不到任何折射角可符合折射定律，这时光线将依照反射定律全部反射回原介质。,(一). 反射比,可知所有光线全部返回介质1,光在界面上发

6、生全反射时确实不损失能量。,反射比在临界角附近发生急剧变化.,利用全反射的灵敏性,结论：入射能量全部回到介质1 全内反射(全反射),(二). 相位变化,全反射对S光和P光引入相差,实验表明，在全反射时光波不是绝对地在界面上被全部反射回第一介质，而是透过第二介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回第一介质，沿着反射光方向射出。这个沿着第二介质表面流动的波称为倏逝波。 从电磁场的连续条件看，倏逝波的存在是必然的。因为电场和磁场不会在两介质的界面上突然中断，在第二介质中应有透射波存在，并具有特殊的形式。,(三)倏逝波全反射发生时的透射波,透射函数中 已无实数意义.,波函数化为：,法线方向场强指数衰减,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（波长量级）,空域中迅速衰减的波 倏逝波,全反射现象的特点： 无反射能量损失 反射时有位相变化 存在倏逝波,全反射现象的应用,利用三棱镜，可以(a)改变路径的方向，(b)使看到的物体变为倒立，(c)同时改变路径的方向和使像变为倒立。许多光学仪器利用全反射来改变光线的传播方向和使像倒转。,(a),(c),(b),潜望镜,潜望镜利用两个三棱镜来改变光线行进方向，形成正立的像。,光纤可传导光能，传递光学图象，做成各种光纤传感器，在医学（用于医疗诊病用的内视镜）、精密测量、