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文檔簡介
入射角大于臨界角的光線發(fā)生全反射第一頁第二頁,共22頁。如前所述,光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)(n1>n2)時,產(chǎn)生全反射的臨界角
c滿足下述關系:當
1>
c時,必然會出現(xiàn)sin
1>n2/n1的現(xiàn)象,這顯然是不合理的。1.反射波第二頁第三頁,共22頁。此時,折射定律
n1sin
1=n2sin
2
不再成立。但是,為了能夠?qū)⒎颇綉糜谌瓷涞那闆r,在形式上仍然要利用關系式1.反射波為此,應將cos
2寫成如下的虛數(shù)形式第三頁第四頁,共22頁。將(166)式代入菲涅耳公式,得到復系數(shù)1.反射波第四頁第五頁,共22頁。1.反射波并且有n=n2/n1是二介質(zhì)的相對折射率;為反射光與入射光的s分量、p分量光場振幅大小之比。
rs
、
rp
為全反射時,反射光中的s分量、p分量光場相對入射光的相位變化。第五頁第六頁,共22頁。由上式可見,發(fā)生全反射時,反射光強等于入射光強,而反射光的相位變化較復雜,大致規(guī)律如圖所示。1.反射波
1
B0/2
rs
C
1
B0/2
rs
C第六頁第七頁,共22頁。應特別指出,在全反射時,反射光中的s分量和p分量的相位變化不同,它們之間的相位差取決于入射角
1和二介質(zhì)的相對折射率n,由下式?jīng)Q定:因此,在n一定的情況下,適當?shù)乜刂迫肷浣?/p>
1
,即可改變Δ
,從而改變反射光的偏振狀態(tài)。1.反射波第七頁第八頁,共22頁。例如,圖所示的菲涅耳菱體就是利用這個原理將入射的線偏振光變?yōu)閳A偏振光的。對于圖示之玻璃菱體(n=1.51),當
1=54037
(或48037
)時,有Δ
=450。因此,垂直菱體入射的線偏振光,若其振動方向與入射面的法線成450角,則在菱體內(nèi)上下兩個界而進行兩次全反射后,s分量和p分量的相位差為900,因而輸出光為圓偏振光。1.反射波圓偏振光線偏振光54.3754.37第八頁第九頁,共22頁。下圖畫出了幾種不同
值相應的橢圓偏振態(tài)。實際上,線偏振態(tài)和圓偏振態(tài)都是橢圓偏振態(tài)的特殊情況。第九頁第十頁,共22頁。2.衰逝波更深入地研究全反射現(xiàn)象表明:在發(fā)生全反射時,光波場將送入到第二個介質(zhì)很薄的一層內(nèi)(約為光波波長),并沿著界面?zhèn)鞑ヒ欢尉嚯x,再返回第一個介質(zhì)。這個透入到第二個介質(zhì)中表面層內(nèi)的波叫衰逝波(疏逝波)。當光由光密介質(zhì)射向光琉介質(zhì),并在界而上發(fā)生全反射時,透射光強為零。那么,在光疏介質(zhì)中有無光場呢?第十頁第十一頁,共22頁。2.衰逝波現(xiàn)假設介質(zhì)界面為
xOy平面,入射面為
xOz平面,則在一般情況下可將透射波場表示為考慮到(166)式后,上式可改寫為第十一頁第十二頁,共22頁。2.衰逝波這是一個沿著
z方向振幅衰減,沿著界面
x方向傳播的非均勻波,也就是全反射時的衰逝波。第十二頁第十三頁,共22頁。由此可以說明,在前面的討論中,只有cos
2取虛數(shù)形式,(166)式取正號。才可以得到這個客觀上存在的衰逝波。2.衰逝波第十三頁第十四頁,共22頁。沿
x方向傳播的速度為式中,
、
分別為光在第一個介質(zhì)中的波長和速度。由(172)式可見,衰逝波沿
x方向的傳播常數(shù)為
,因此,它沿
x方向傳播的波長為2.衰逝波第十四頁第十五頁,共22頁。定義衰逝波沿z方向衰減到表面強度1/e處的深度為衰逝波在第二個介質(zhì)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時,z0=0.4
。因此,衰逝波的穿透深度為波長的量級。第十五頁第十六頁,共22頁。發(fā)生全反射時,光由第一個介質(zhì)進入第二個介質(zhì)的能量入口處和返回能量的出口處,相隔約半個波長,即如圖所示,存在一個橫向位移,此位移通常稱為古斯一哈思斯位移。2.衰逝波n1n2<n1x衰減波第十六頁第十七頁,共22頁。在光電子技術中,光纖通信和光纖傳感是非常重要的應用領域,而在光纖中的傳光原理,正是基于全反射現(xiàn)象。1)光纖傳光原理n0n1n2
3.全反射現(xiàn)象應用舉例第十七頁第十八頁,共22頁。光纖是如圖所示的圓柱形光波導,由折射率為n1的纖芯和折射率為n2的包層組成,且有n1>n2。當光線在子午面內(nèi)由光纖端面進入光纖纖芯,并以入射角
射到纖芯和包層界面上時,如果入射角
大于臨界角
c,將全反射回到纖芯中,直至從另一端折射輸出。1)光纖傳光原理n0n1n2
第十八頁第十九頁,共22頁。根據(jù)全反射的要求,對于光纖端面上光線的入射角
,存在一個最大角
M,它可根據(jù)全反射條件,由臨界角關系求出:當
>
M時,光線將透過界面進入包層,并向周圍空間產(chǎn)生輻射損耗,因此光纖不能有效地傳遞光能。1)光纖傳光原理第十九頁第二十頁,共22頁。通常將
n0sin
M
稱為光纖的數(shù)值
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