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1、1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射2 光的吸收光的吸收 3 光的色散光的色散 4 光的散射光的散射第 三 章 光通过各向同性介质 及其界面所发生的现象1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射1.1 1.1 菲涅耳反射折射公式菲涅耳反射折射公式1.2 1.2 振幅反射振幅反射( (透射透射) )比比 相位跃变相位跃变( (相移相移) )1.3 1.3 （能流）反射率和透射率（能流）反射率和透射率 1.4 1.4 布儒斯特定律布儒斯特定律1.5 1.5 反射光与折射光的偏振态反射光与折射光的偏振态1.6 1.6 全反射与隐失波全
2、反射与隐失波( (近场光学近场光学) )1.7 1.7 受抑全反射受抑全反射( (光子隧道效应光子隧道效应) )复习复习第一章第一章 几何光学几何光学折射定律：折射定律： 反射定律：反射定律： 第二章第二章 光波场的描述光波场的描述光是电磁波！光是电磁波！ HE传播方向传播方向均匀介质中：均匀介质中：问题：单色平行光入射到无限大平面的交界问题：单色平行光入射到无限大平面的交界处，折射光和反射光的状态？处，折射光和反射光的状态？入射光线 E1反射光线 E1折射光线 E2光线：已知：求解：条件： i1 i1 i2 从电磁场的边界条件和振幅关系通过电动力学求解可以从电磁场的边界条件和振幅关系通过电动
3、力学求解可以导出菲涅耳公式，解决光在界面上的强度分配问题。导出菲涅耳公式，解决光在界面上的强度分配问题。 自然光入射，把电矢量分成两自然光入射，把电矢量分成两个分量。一个垂直于入射面（个分量。一个垂直于入射面（S分分量），一个平行于入射面（量），一个平行于入射面（P分量）分量），如图。，如图。1.1 1.1 菲涅耳反射、折射公式菲涅耳反射、折射公式 规定规定S分量的正方向为沿分量的正方向为沿 y 轴正方向，轴正方向，P分量的正方向为与分量的正方向为与S分量和传播方向构分量和传播方向构成右手螺旋关系。成右手螺旋关系。xzOn1n2 定义右手坐标系：定义右手坐标系：定义：定义：反射振幅比：透射振幅
4、比： 菲涅耳给出在分界面菲涅耳给出在分界面O点，入射波、反射波、折点，入射波、反射波、折射波的振幅关系为：射波的振幅关系为：（2）P分量的振幅反射比：分量的振幅反射比：（1）S分量的振幅反射比：分量的振幅反射比：（4）P分量的振幅透射比：分量的振幅透射比：（3）S分量的振幅透射比：分量的振幅透射比： 一般取一般取 为正，所以反射波和折射波的为正，所以反射波和折射波的两个分量的正负号与入射角和两介质的折射率有关。两个分量的正负号与入射角和两介质的折射率有关。1.2 1.2 振幅反射振幅反射( (透射透射) )比比 相位跃变相位跃变( (相移相移) )1. 外反射（外反射（n1 0,ts0 rs0
5、 iB i1+i2=90iBiB + - -2. 内反射（内反射（n2 n1）（取（取n1 =1.5， n2 =1.0 ）全反射临界角：全反射临界角：iBiciBic+-（1）外反射（）外反射（n1 n2）由图知入射波和反射波的电矢量由图知入射波和反射波的电矢量 方向几乎相同。方向几乎相同。x 无相位跃变（半波损失）无相位跃变（半波损失）xzo特例：掠射（入射角接近特例：掠射（入射角接近90）由图知入射波和反射波的电矢量由图知入射波和反射波的电矢量 方向几乎相反。方向几乎相反。外反射外反射（n1 n2的情况下，当入射角大于临界角时，按几的情况下，当入射角大于临界角时，按几何光学，入射光全部被反
6、射，没有折射光。何光学，入射光全部被反射，没有折射光。波动光学认为，在全反射时，有隐失波沿界面传播。波动光学认为，在全反射时，有隐失波沿界面传播。当当 时，有：时，有：折射角折射角i2是个虚数。是个虚数。 波函数表示沿波函数表示沿x x方向（界面）传播的简谐波，振方向（界面）传播的简谐波，振幅随幅随z z指数减小。这种波称为隐失波。指数减小。这种波称为隐失波。讨论折射波的波函数：讨论折射波的波函数：只取负号部分只取负号部分1.7 1.7 受抑全反射受抑全反射( (光子隧道效应光子隧道效应) )1. 朗伯（Lambert）定律 普通光的吸收遵守郎伯定律。普通光的吸收遵守郎伯定律。设强度为设强度为
7、I0的单色平行光进入均的单色平行光进入均匀介质中一段距离匀介质中一段距离x 后强度减为后强度减为I，再通过一薄层，再通过一薄层dx 后，强度为后，强度为I+dI（dI波长，遵从反射定律。只是这波长，遵从反射定律。只是这些小些小“镜面镜面”的法线方向杂乱无章。的法线方向杂乱无章。 当不均匀当不均匀“团块团块”的尺寸的尺寸 波长时，散射又可波长时，散射又可看作是在这些看作是在这些“团块团块”上的上的反射反射了。了。4.1 4.1 非纯净介质中的光散射非纯净介质中的光散射 介质中存在杂质微粒或本身结构缺陷破坏了介质介质中存在杂质微粒或本身结构缺陷破坏了介质的均匀性而造成的散射。的均匀性而造成的散射。
8、 如空气中的尘埃、烟雾，胶体、乳浊液等。与颗如空气中的尘埃、烟雾，胶体、乳浊液等。与颗粒大小有关。粒大小有关。 散射光的波长与入射光波长一致；散射光的波长与入射光波长一致；1. 小颗粒散射（颗粒线度 ,原子半径10-10 m） 瑞利散射定律瑞利散射定律 散射光强度与波长的四次方成反比散射光强度与波长的四次方成反比 散射光强的角分布：散射光强的角分布： 与观察方向有关，对于入射与观察方向有关，对于入射光的传播方向对称。设自然光沿光的传播方向对称。设自然光沿z 轴入射，在轴入射，在xz 平面上的散射光强：平面上的散射光强：是与原光束垂直的方向上的散射光强是与原光束垂直的方向上的散射光强（1）如果入
9、射光是线偏光，则各方向的散射光也是）如果入射光是线偏光，则各方向的散射光也是线偏振光；线偏振光； 散射光的偏振态：散射光的偏振态：（2）如果入射光是自然光，则与入射光垂直的方向）如果入射光是自然光，则与入射光垂直的方向上的散射光是线偏振光；在原入射光方向上是自然光；上的散射光是线偏振光；在原入射光方向上是自然光；在其它方向上是部分偏振光。在其它方向上是部分偏振光。 在水里滴上几滴牛奶使之成为浑浊物质，强光在水里滴上几滴牛奶使之成为浑浊物质，强光源源S通过，通过，z方向观察，散射光呈青蓝色，方向观察，散射光呈青蓝色，x方向观察，方向观察，显暗红色。显暗红色。2. 大颗粒散射（颗粒线度 ） 当微粒
10、的线度与波长差不多时，瑞利散射定律不再当微粒的线度与波长差不多时，瑞利散射定律不再成立。散射光的强度与波长的关系不明显，称为成立。散射光的强度与波长的关系不明显，称为米氏散射。实验观察瑞利散射现象：4.2 4.2 纯净介质中的分子散射纯净介质中的分子散射 纯净的介质由于分子的热运动等原因造成密度纯净的介质由于分子的热运动等原因造成密度的局部涨落，使介质的光学均匀性遭到破坏，产生的局部涨落，使介质的光学均匀性遭到破坏，产生光的散射现象称为分子散射。光的散射现象称为分子散射。分子散射也遵从瑞利散射定律。分子散射也遵从瑞利散射定律。解释自然现象：解释自然现象：（1）晴朗的天空呈蔚蓝色。）晴朗的天空呈
11、蔚蓝色。（3）云雾呈白色。）云雾呈白色。（2）旭日呈红色。）旭日呈红色。 （大部分是密度涨落引起的分子散射，为瑞利散射）（大部分是密度涨落引起的分子散射，为瑞利散射）（小水滴组成，属于米氏散射）（小水滴组成，属于米氏散射）近来由于大气层严重污染，城市的天空一片灰蒙蒙近来由于大气层严重污染，城市的天空一片灰蒙蒙 红光的穿透力比蓝光强，红光的穿透力比蓝光强，红外线更强，常用于远距离红外线更强，常用于远距离照相和遥感技术中。照相和遥感技术中。例：摄影爱好者知道以橙黄色滤色镜拍摄天空时，可增例：摄影爱好者知道以橙黄色滤色镜拍摄天空时，可增加蓝天和白云的反差。若照相机镜头和底片的灵敏度将加蓝天和白云的反
12、差。若照相机镜头和底片的灵敏度将光谱范围限制在光谱范围限制在390nm620nm之间，并设太阳光谱在之间，并设太阳光谱在此范围内视为常数。若滤色镜把波长在此范围内视为常数。若滤色镜把波长在550nm以下的光以下的光全部吸收，天空的散射光被它去掉了百分之几？全部吸收，天空的散射光被它去掉了百分之几？解：橙黄色滤色镜对于波长小于解：橙黄色滤色镜对于波长小于600nm的光有较大的吸收。的光有较大的吸收。 白光经过橙黄色滤色镜后，长波成分增加，短白光经过橙黄色滤色镜后，长波成分增加，短波成分削弱。波成分削弱。 在底片上背景蓝天照度较低，白云照度相对较高，在底片上背景蓝天照度较低，白云照度相对较高，因而
13、增加了反差。因而增加了反差。 设在设在390nm 620nm 之间的散射光强为之间的散射光强为I0，在，在390nm 550nm 之间的散射光强为之间的散射光强为I，则滤色镜吸收光强为：，则滤色镜吸收光强为：拉曼效应（Raman effect），也称拉曼散射(Raman scattering)，光子的非彈性散射（Inelastic scattering）現象，1928年由印度物理学家拉曼发现，指光波在被散射后频率发生变化的现象。當光線從一個原子或分子散射出來時，絕大多數的光子，都是彈性散射（elastically scattered）的，這稱為瑞利散射。在瑞利散射下，散射出來的光子，跟射入時的
14、光子，它的能量、頻率與波長是相同的。然而，有一小部份散射的光子（大約是一千萬個光子中會出現一個），散射後的頻率會產生變化，通常是低於射入時的光子頻率，原因是入射光子和介質分子之間發生能量交換。這即是拉曼散射。E=hvh=6.62606957(29)1034Js4.3 拉曼拉曼散射散射受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering）也称声子散射，phonon scattering。受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看作光
15、子场与声子场之间的相干散射过程。可以利用受激布里渊散射研究材料的声学特性和弹性力学特性。自发布里渊散射可用量子物理学解释如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。4.4 布里渊散射布里渊散射4.5 康普顿散射康普顿散射3.43.4题题（4 4）用树脂胶合可减小界面反射损失。）用树脂胶合可减小界面反射损失。（1 1）（2 2）（3 3）3.53.5题题通
16、过一个平面的反射率通过一个平面的反射率透射率透射率通过通过1010块玻璃（块玻璃（2020面）后，透射率面）后，透射率偏振度：偏振度：3.133.13题题入射光是左旋圆偏振光，有入射光是左旋圆偏振光，有且且S S分量落后分量落后 。所以，反射光是右旋椭圆偏振光。所以，反射光是右旋椭圆偏振光。且反射率且反射率 经界面反射（外反射）后，经界面反射（外反射）后，S S分量有相位跃变，分量有相位跃变，P P分量没有相位跃变，故反射光的分量没有相位跃变，故反射光的S S分量超前分量超前1.2 1.2 振幅反射振幅反射( (透射透射) )比比 相位跃变相位跃变( (相移相移) )1. 外反射（外反射（n1 0,ts0 rs0 iB i1+i2=90iBiB + - -
