折射和反射定律、菲涅耳公式讲解

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1、1,第七、八次课、折射和反射定律、菲涅耳公式,一、折射和反射定律 二、菲涅耳公式 三、根据Fresnel公式讨论反射波和透射波的性质,内容,2,一、折射和反射定律,1、折射和反射定律内容 2、分析,内容,3,1、折射和反射定律的内容是： 时间频率是不变的； 反射波和折射波均在入射面内； 反射角等于入射角。 折射定律：折射介质折射率与折射角正弦之积等于入射介质折射率与入射角正弦之积。,2、分析：,图1,r,t,O,x,z,O,i,1,2,界面,4,界面两侧的总电场为：,电场的边界条件,欲使上式对任意的时间t和界面上 均成立，则必然有：,(2),(1),可见，时间频率是入射电磁波或光波的固有特性，

2、它不因媒质而异，也不会因折射或反射而变化；,5,由于 可以在界面内选取不同方向，上式实际上意味着矢量 和 均与界面的法线 平行，由此可以推知， 、 、 与 共面，该平面称为入射面。,r=i (3) n2sint=n1sini (4),(2),写成标量形式，并约掉共同的位置量,结论：反射波和折射波均在入射面内。,反射角等于入射角,折射定律,6,二、菲涅耳公式,1、公式的推导 2、公式的另外两种形式,内容,7,1、 Fresnel公式的推导,折、反射定律给出了反射波、折射波和入射波传播方向之间的关系。 而反射波、折射波和入射波在振幅和位相之间的定量关系由Fresnel公式来描述。,只推导反射波、折

3、射波和入射波的电场 的Fresnel公式。,方法和步骤的内旨,电场 是矢量，可将其分解为一对正交的电场分量，一个振动方向垂直于入射面，称为s分量，另外一个振动方向在或者说平行于入射面，称为p分量。,首先研究入射波仅含s分量和仅含p分量这两种特殊情况。当两种分量同时存在时，则只要分别先计算由单个分量成分的折射、反射电场； 然后根据矢量叠加原理进行矢量相加即可得到结果。,8,1)、单独存在s分量的情形,规定：电场和磁场的s分量垂直于纸面，向外为正，向内为负。,图2,在界面上电场切向分量连续：,(5),(6),在界面上磁场的切向分量连续：,9,非磁性各向同性介质中 、 的数值之间的关系：,(7),(

4、6),(5),s分量的透射系数,(8),(9),s分量的反射系数,10,2)、单独存在p分量的情形,规定：p分量按照其在界面上的投影方向，向右为正，向左为负。,(10),(11),即： 的p分量的切向分量一致向右,组成右手坐标系,的正方向如图所示,根据 的边界条件得：,11,再利用 、 的数值关系以及 、 之间的正交性，得到：,(12),(13),公式(8)、(9)、(12)、(13)称为Fresnel公式：,(8),(9),(12),(13),p分量的透射系数,p分量的反射系数,12,2、公式的另外两种形式,(14),(15),令：,(16),(17),(8),(9),(12),(13),将

5、它们变形,(18),(19),13,于是得Fresnel公式的另外一种形式：,(20),(21),(22),(23),14,利用折射定律，Fresnel公式还可以写成如下的形式：,(24),(25),(26),(27),15,三、根据Fresnel公式讨论反射波和透射波的性质,1. n1n2的情况,内容,16,1. n1n2的情况,在光学上，这种情况称为光从光疏媒质向光密媒质入射。 根据折射定律可知：it 。,(1)、反射和透射系数的变化：,n2/n1=2.0,1)、两个透射系数ts和tp都随着入射角i增大而单调降低，即入射波越倾斜，透射波越弱，并且在正向规定下，ts和tp都大于零。,17,2

6、)、rs始终小于零，其绝对值随着入射角单调增大。根据正方向规定可知，在界面上反射波电场的s分量振动方向始终与入射波s分量相反。,位相跃变(半波损失),负号写成,在界面上任何一点，反射波s分量与入射波s分量间都有一个的位相差别。,图4,n2/n1=2.0,位相跃变,这样，位相差相当于电磁波(光)传播半个波长的距离，所以该现象又可称为半波损失。,18,图4,n2/n1=2.0,3)、对于rp，它的代数值随着入射角i单调增大，但是经历了一个由负到正的变化。,i=特定值B ，rp=0,布儒斯特定律,利用折射定律,布儒斯特角,(28),如果平面波以布儒斯特角入射，则不论入射波的电场振动如何，反射波不再含

7、有p分量，只有s分量；,如果平面波以布儒斯特角入射，反射角与折射角互为余角，所以,19,、当i较小时， rp0，但因它们的正向规定基本相反，所以实际上仍有Eip和Erp的主要成分相反向； 因此说，n1n2时，反射波电场方向总与入射波电场方向相反或接近相反。,20,i =0的情形是一个特殊的情况，称为正入射。 这时，折射角t=0，由Fresnel公式容易算出在正入射时s和p分量的差别消失，用r0和t0分别表示正入射时的反射和透射系数，则有：,(29),(30),(29)、 (30)两式可以看出，两媒质折射率的差别越大，r0的绝对值越大，而t0值越小。 从图4可以看出，四条曲线在i =0处的斜率都

8、是零，所以公式(29)、(30)还可以用来估计小i(15)处的系数。 例如，对于n2/n1=1.5，r0=-0.2，t0=0.8，在i =10时，直接由Fresnel公式计算可得到：rs=-0.2041，rp=-0.1959，ts=0.7969，tp=0.7973，可见它们分别与r0和t0接近。,4)、i =0和90的情况,对于n2/n1=2.0，r0=-0.33，t0=0.67,i =90的情形也是一个特殊的情况，此时，rs=-1，rp=1。 ts=tp=0，这表示电磁波仅仅在界面上掠过，并未真正进入第二媒质里因此称这种入射为掠入射。 这些数值画出了图4各曲线的终点。,21,(2)、反射率和

9、透射率的变化,波的横截面面积与投射在界面上的面积存在着关系,1,2,As,(31),Wis=IisA0cosi (32),Wts=ItsA0cost,At,Ai,A0,Wrs=IrsA0cosr=IrsA0cosi,定义： s分量的反射率Rs为Wrs与Wis之比； s分量的透射率Ts为Wts与Wis之比。,22,于是有：,(33),(34),类似地，当入射波只含有p分量的时，可以求出p分量的反射率Rp和透射率Tp：,(35),(36),将Fresnel公式代入上面四式，即可分别得到Rs、Rp、Ts、Tp与入射角i的函数关系。,23,Rs与Ts之间、Rp 与Tp之间均存在互补关系，即： Rs+T

10、s=1 (37) Rp+Tp=1 (38) 这表明，在界面处，入射波的能量全部转换为反射波和折射波的能量。 条件：界面处没有散射、吸收等能量损失。,24,当入射波同时含有s分量和p分量时，由于两个分量的方向互相垂直，所以在任何地点、任何时刻都有：,从而有： Ii=Iis+Iip Wi =Wis+ Wip,类似地，有： Wr =Wrs+ Wrp Wt =Wts+ Wtp,可以定义反射率R和透射率T为：,注意：入射光波的s分量(p分量)只对折射率、反射率的s分量(p分量)有贡献 如果入射波中s和p分量的强度比为，Wis= Wip，则有：,即R和T分别是Rs、Rp和Ts、Tp的加权平均。,但是仍然有

11、： R+T=1,25,正入射时，s分量和p分量的差异消失。 若用R0和T0表示此时的反射率和透射率，则有：,利用这两个等式可以估算非正入射但是入射角很小(i30)的反射率和透射率。,26,2n1n2的情形,这种情形即由光密媒质入射到光疏媒质的情形。 由折射定律可知，it。 把t =90所对应的入射角称为全反射临界角，用c表示。 sinc= n2/n1 或 c=arcsin(n2/n1) (39),因此分ic和ic两种情况来讨论。,1)、当ic时 此时t90，可以直接用Fresnel公式来讨论反射波和折射波的性质，分析方法和n1n2的情形完全相同。,27,结论 a)、反射系数rs、rp和n1n2

12、还是n1n2的情形，布儒斯特定律都成立。 c)、ts和tp均大于1，且随着i的增大而增大，但是这不意味着透射率T大于1以及T必然随i的增大而增大。,(34),(36),28,2)、当ic时,(40),(41),复数形式的反射系数,(42),(43),因为i始终是实参量，形式上有：,sint1，t在实数范围内不存在，可以将有关参量扩展到复数领域。,29,(42),(43),首先讨论|rs|、|rp|,反射系数的模值|rs|、|rp|仍然可以理解为反射波和入射波对应分量的振幅比； 此时， |rs|=|rp|=1，因而Rs=Rp=R=1； 所以当ic时，入射波的能量全部返回到n1媒质里，这种现象称为

13、全反射或者全内反射。,30,即当入射波发生全反射时，反射波中的s分量的位相跃变为：,(44),(45),它们可以理解为反射波和入射波对应分量在界面处的位相跃变。,(42),(43),接下来讨论 和,p分量的位相跃变为：,s分量和p分量的位相跃变之差为：,(46),反切函数取主值,Fresnel最早设计了消色差波片的Fresnel棱镜，用来改变入射波的偏振态。这项试验的成功，说明s分量和p分量的位相跃变之差确实存在。,31,|rs|=|rp|=1，发生全反射。 似乎光疏媒质中不存在任何折射电磁波； 但是当把ts、tp的Fresnel公式推广到复数域进行计算，将会发现ts、tp都不等于零，亦即光疏

14、媒质内有折射光波； 从右图7也可直观看出， ts、tp都不等于零，说明光疏媒质内有折射光波。 这个折射光波有其自身的特殊性质，这种性质使折射波不能深入地进入光疏媒质内。 接下来我们进行分析。,32,1、光疏媒质内的电磁波倏逝波(瞬逝波),(47),倏逝波或瞬逝波,33,2、倏逝波的性质,仍然是，没有改变； 说明光波的时间频率不随环境改变。,振幅,特点：折射波的振幅随着z(即随着波深入光疏媒质内部)的增大而作指数衰减，等振幅面与界面平行。,位相,位相的空间分布上只与x有关，所以等相面与x轴垂直，并且沿着x方向传播，与一维波的位相表达式类似，这个波的波长是：,(48),倏逝波的位相速度是：,(49

15、),是光密媒质中入射波的速度。,因为存在x方向上的分量，所以这个倏逝光波已经不是横波。,34,下面，定量估计一下倏逝波的衰减情况,在n2/n1=1/1.5的情况下，衰减系数值如右表：,定义为振幅的衰减系数,振幅,第二媒质中深度z处的波振幅与界面处振幅之比,35,可见，全反射时的折射波随着向光疏媒质深入而很快减弱，这也是倏逝波或瞬逝波命名的原因，因而这种波有的参考书上称为衰逝波。 倏逝波在入射波刚刚达到界面之初需要花一定的能量以建立倏逝波电磁场外，当达到稳定状态之后，不需要再向它提供能量，倏逝波只沿着界面处传播，不进入第二媒质内部。因而全反射时Rs=1、ts0和Rp=1、tp0并不违反能量守恒定律。 这种折射波在n2介质内离开界面波长数量级的深度处已经接近消失，所以也被称为表面波。 倏逝波是一种非均匀波，因为它的等相面和等振幅面不重合。见书上42面图1-28。,36,全反射有很多应用： 1、改变光线方向，可充分利用高折射率的材料； 2、测量透明媒质的折射率，制作阿贝折射计； 3、光纤； 4、倏逝波有受抑全反射现象，因而可制作分束比可调的分束器，还可用于棱镜-波导耦合器； 5、测量全反射光的偏振态可分析折射率。,调查题,37,一、折射和反射定律,总结：,二、菲涅耳公式,三、根据Fresnel公式讨论反射波