物理學(xué)類光學(xué)ch3

1、CH 3-5光在各向同性介質(zhì)界面的反射折射reflection and diffraction at the interface of isotropic dielectrics of light wave3.5 光在各向同性介質(zhì)界面的反射折射電磁理論邊界條件反射定律、折射定律菲涅耳公式菲涅耳公式反射、折射-振幅、強度、能流p態(tài)振動矢量在入射面內(nèi)s態(tài)振動矢量垂直于入射面TE波E為s態(tài), H為p態(tài)TM波E為p態(tài)H為s態(tài)任一偏振態(tài)的入射光均可依據(jù)正交分解看作TE和TM兩種線偏振疊加TE波界面折射、反射E、H矢量在界面處切向連續(xù)反射和折射不改變E、H的振動態(tài)一. 反射、折射的振幅比 菲涅耳公式TE波

2、光學(xué)介質(zhì)-非磁介質(zhì)可得s光振幅反射率振幅透射率同樣分析TM光，可得p光s光振幅反射率振幅透射率p光利用關(guān)系菲涅耳公式說明1. Es 和 Ep 是同一矢量 E 的 s 分量和 p 分量。頻率相同?？梢员硭矔r量，也可表復(fù)振幅；2. 正負隨規(guī)定不同而不同，物理實質(zhì)不變；3. S 分量與 p 分量相互獨立。菲涅耳公式以 i1 表示內(nèi)反射從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)外反射從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì) 三個特殊角度(1) 正入射 i1 = 0，不論內(nèi)反射還是外反射(2) 無論外反射和內(nèi)反射都有一特殊角度ib 稱為布儒斯特(D.Brewster)角(3) 對內(nèi)反射(光密到光疏)，存在一角度ic 稱為全反射臨界角二. 反

3、射、折射能流比與光強比光強正比于光振動振幅平方注意：一般折射反射問題中，考慮不同折射率的影響光強反射率 光強反射率 光強折射率光強透射率 能流反射率 能流折射率通過界面上某一面積的入射光、反射光和折射光通量之比能流比:光通量能流反射率能流透射率能量守恒自然光入射總能流反射率自然光二正交線偏振分量強度相等類似可得總光強反射率：由能量守恒總光強透射率總能流透射率注意：正入射時，無論外反射內(nèi)反射例如：在湖岸邊觀察水下物體時，近物要比遠物更加清楚，相反，遠處物體在湖面的倒影則比近物更加清晰。對空氣-玻璃界面，R = 0.04，T = 0.96。外反射時，R 一般隨入射角 i1 的增加而增大，當 即掠入

4、射 Rs 和 RP 均趨近于1。例(1) 求證：當光線以布儒斯特角入射時，折射光線與反射光線互相垂直； (2) 討論當 p 光以布儒斯特角入射時，透射光與入射光的能流比和光強比。解：(1)由折射定律(2) 此時即：能量全部進入第二種介質(zhì)注意到光疏進入光密時 n211 , Tp1 透射光強小于入射光強光密進入光疏時 n211 透射光強大于入射光強結(jié)論三. 反射光與折射光的相位變化復(fù)振幅為正值時附加相位為零;為負值時附加相位為 r, t-實數(shù),由菲涅耳公式(1) 折射光永無相移透射光永遠與入射光同相(1) 復(fù)振幅之比仍為復(fù)數(shù)；(2) 模表示振幅之比，復(fù)角表示反射、波折射 波相對入射波的相位變化(附

5、加相位)。注意：外反射和 i1 ic 的內(nèi)反射討論(2) 反射光的相位變化 外反射S光： 反相 內(nèi)反射S光：同相P光：同相無反射p光反相P光：反相無反射p光同相(3) 半波損失問題討論界面上反射波E矢量s分量和p分量均發(fā)生振動方向反轉(zhuǎn)光程躍變半波損失相位躍變正入射時 外反射 內(nèi)反射 rs - + rp + - ts + + tp + +正入射時振幅比的符號 單個界面外反射內(nèi)反射正向規(guī)定(1) 外反射 s 分量和 p 分量都對入射波發(fā)生了反轉(zhuǎn)反射入射 E 反向外反射有半波損失內(nèi)反射無半波損失(2) 內(nèi)反射 s 分量和 p 分量都未反向反射入射 E 同向(3) 透射波：無論發(fā)生外反射或內(nèi)反射均無半

6、波損失同樣方法可討論掠入射的半波損失情況結(jié)論 介質(zhì)板上下表面的反射和折射光束1、2的附加程差為光束2、3、4之間或 1、2 、3之間附加程差均為零 單一界面1. 光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，正入射及掠入射時，反射光均有半波損失;2. 光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，正入射時反射光無半波損失；3. 任何情況下，透射光均無半波損失。 介質(zhì)板在均勻介質(zhì)中任何情況下，反射光1、2 之間的光程差需計入半波損失(附加半波程差)，光束2、3、4 之間或1、2 、3之間無須引入附加程差。半波損失相關(guān)結(jié)論四. 反射光與折射光的偏振狀態(tài)1. 入射光為線偏振光 反射光仍為線偏振光；2. 入射光為圓偏振光 為橢圓偏振光(旋向

7、相同)；3. 入射光為自然光 反射為部分偏振光，s光強度大于p光強度；(1) 正入射時(外反射和內(nèi)反射)及掠入射時，反射光和折射光都是自然光；(2) 以布儒斯特角入射(外反射和內(nèi)反射)，反射光為s態(tài)偏振光，折射光中p態(tài)偏振光占優(yōu)勢。五. 全反射與隱逝波 全反射結(jié)論：入射能量全部回到介質(zhì)1 全內(nèi)反射(全反射)當光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì) 且入射角為復(fù)數(shù)一般全反射對S光和P光引入相差全反射時，S光和P光的相移當線偏振光入射時，反射光一般為橢圓偏振光 隱逝波 理想：全反射時射向第二介質(zhì)的能流全部返回到第 一介質(zhì)沒有流向第二介質(zhì)的平均能流由于半波損失及全反射時 -入射波E矢量與反射波E矢量在界面處不會反向界面上總場并非為零電磁矢量的切向連續(xù)性波場會延伸到第二種介質(zhì)中透射函數(shù)中 已無實數(shù)意義.波函數(shù)化為：穿透深度 第二介質(zhì)中，波的振幅衰減到最大值的1/e 時的深度 空域中迅速衰減的波 隱逝波波的振幅隨z的增加呈指數(shù)衰減介質(zhì)1中的波長(1) 當光從第一種介質(zhì)射向第二種介質(zhì)時，光能全部反射嗎？能全部透射嗎？說明其條件。(2) 光從第一種介質(zhì)射向第二種介質(zhì)時，何時第二種介質(zhì)中的光強大于第一種介質(zhì)中的光強？(3) 改變視角觀