光波在分界面上的反射與折射

OpticalPhysics第一章光的電磁理論基礎(chǔ)§1.3

光波在分界面上的反射與折射1.3.1本節(jié)內(nèi)容概述1.3.2分界面上的邊值關(guān)系1.3.3分界面上波矢、波長、頻率的關(guān)系1.3.4Fresnel公式1.3.5反射、折射光的相位躍變1.3.6反射率R與透射率T1.3.7反射光、折射光的偏振態(tài)1.3.8全反射1.3.8全反射①何為全反射？光波從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角大于臨界角，光波從分界面全部返回入射空間的現(xiàn)象。②條件③求解臨界角一、概念①反射光有何特點(diǎn)？（振幅、能量、位相、偏振態(tài)）②透射光場(chǎng)中是否有光波存在？二、全反射研究的問題三、Fresnel公式的推廣①反射的Fresenel公式②求cosΘt實(shí)數(shù)域中的菲涅爾公式③復(fù)數(shù)域中的菲涅爾公式四、反射波特征分析①反射系數(shù)的特點(diǎn)復(fù)數(shù)的模表示反射波和入射波實(shí)振幅之比，幅角表示反射時(shí)的位相變化。②振幅值的特點(diǎn)結(jié)論：①分界面將入射光波的能量全部返回入射空間②全反射過程無能量損失結(jié)論：全反射過程中，S波、P波具有不同的位相變化；反射波中s分量和p分量之間的位相差將引起入射波偏振態(tài)的變化；通過檢驗(yàn)反射波的偏振態(tài)，可以驗(yàn)證全反射中，反射波s分量和p分量之間的位相差的存在。③全反射時(shí)反射波的位相特征④全反射時(shí)相位角與入射角關(guān)系曲線⑤全反射時(shí)偏振態(tài)的變化五、透射光場(chǎng)透射光場(chǎng)中是否有光波的存在？含熒光物質(zhì)的液體無熒光現(xiàn)象熒光現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證①倏逝波函數(shù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在全反射時(shí)光波不是絕對(duì)在界面上被全部反射回介質(zhì)1，而是透過介質(zhì)2很薄的一層表面（約一個(gè)波長），并沿界面?zhèn)鞑ヒ恍《尉嚯x（波長量級(jí)），最后返回介質(zhì)1，透入介質(zhì)2表面的這個(gè)波稱為倏逝波。9/9/2024穿透深度：振幅減小到界面處的1/e的深度表示一個(gè)沿x方向傳播的振幅在z方向按指數(shù)規(guī)律變化的波②倏逝波振幅例如，n1=1.52，n2=1，

1=450時(shí)，z0=0.4

。衰逝波的穿透深度為波長的量級(jí)。③倏逝波位相k1

xy等相面’光波的等相位面為一系列平行于z軸的等距直線等幅面④倏逝波等振幅面光波的等振幅面為一系列平行于x軸的等距直線透射波是一個(gè)沿x方向傳播，振幅在z方向按指數(shù)規(guī)律衰減的復(fù)雜波；其振幅在介質(zhì)表面法向方向作指數(shù)迅速衰減的波，這就是倏逝波。其等位相面為一系列平行于z軸的等距直線。其等振幅面與等位相面垂直。第二介質(zhì)中存在倏逝波，但是倏逝波沿z方向的平均能流為0。（流入的等于流出的）

反射光束有一個(gè)側(cè)向位移（半個(gè)波長）。古斯-漢森位移六、全反射能量的傳遞①無能量損失，光能量100%返回入射介質(zhì)空間。透射光場(chǎng)中存在倏逝波，透射光場(chǎng)中有能量存在。②全反射時(shí)，光波從介質(zhì)1（光密介質(zhì)）入射到介質(zhì)2（光疏介質(zhì)），沿表面?zhèn)鞑ィ纬少渴挪?，最終入射到介質(zhì)1空間，形成全反射光波。③光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)，能量動(dòng)態(tài)平衡。全反射現(xiàn)象的特點(diǎn)是：無能量損失、反射時(shí)有相位變化，存在倏逝波。這些特點(diǎn)也得到了廣泛應(yīng)用。七、全反射的應(yīng)用

利用全反射時(shí)的能量特性，改變光的傳播方向、傳遞能量。利用倏逝波特性產(chǎn)生的受抑全反射效應(yīng)能制成光調(diào)制器或光輸出耦合器。

利用全反射時(shí)的位相變化，選取適當(dāng)?shù)恼凵渎屎腿肷浣?，可改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)。①利用全反射無透射損失，可以(a)改變路徑的方向(b)使看到的物體變?yōu)榈沽?c)同時(shí)改變路徑的方向和使像變?yōu)榈沽?。許多光學(xué)儀器利用全反射來改變光線的傳播方向和使像倒轉(zhuǎn)。(a)(c)(b)光導(dǎo)纖維光纖可傳導(dǎo)光能，傳遞光學(xué)圖象，做成各種光纖傳感器，在醫(yī)學(xué)（用于醫(yī)療診病用的內(nèi)視鏡）、精密測(cè)量、計(jì)算機(jī)以及光纖通信等方面得到廣泛應(yīng)用。利用倏逝波特性產(chǎn)生的受抑全反射效應(yīng)能制成光調(diào)制器或光輸出耦合器。在斜面間的空氣隙內(nèi)的隱失波場(chǎng)的耦合作用下，光波可以從一塊棱鏡透射到另一塊棱鏡，透射量的多少與間隔有關(guān)棱鏡波導(dǎo)耦合器：可以用來將光信號(hào)方便有效地耦合進(jìn)薄膜波導(dǎo)中，或者將在薄膜波導(dǎo)中傳播的光信號(hào)引出波導(dǎo)。

利用全反射時(shí)的位相變化，選取適當(dāng)?shù)恼凵渎屎腿肷浣牵筛淖內(nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)。玻璃菱體(n=1.51)，當(dāng)

1=54037

(或48037

)時(shí)，有Δ

=450。

因此，垂直菱體入射的線偏振光，若其振動(dòng)方向與入射面的法線成450角，則在菱體內(nèi)上下兩個(gè)界而進(jìn)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。SeeTIRfromafingerprintvalleyandFTIRfromaridge.利用全反射現(xiàn)象可以制成測(cè)量液面高度的光纖液面計(jì)，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。光源發(fā)出的光由光纖輻合進(jìn)棱鏡，