光学-郭永康-5.光在各向同性介质界面的反射和折课件.ppt

1、CH 3-5CH 3-5光在各向同性介质界面的反射折射光在各向同性介质界面的反射折射reflection and diffraction at the interface of isotropic dielectrics of light wave3.5 光在各向同性介质界面的反射折射光在各向同性介质界面的反射折射电磁理论电磁理论边界条件边界条件反射定律、折射定律反射定律、折射定律菲涅耳公式菲涅耳公式菲涅耳公式菲涅耳公式反射、折射反射、折射-振幅、强度、能流振幅、强度、能流p态态振动矢量在入射面内振动矢量在入射面内s态态振动矢量垂直于入射面振动矢量垂直于入射面TE波波E为为s态态, H为为p态

2、态TM波波E为为p态态H为为s态态任一偏振态的入射光均可依据正交任一偏振态的入射光均可依据正交分解看作分解看作TE和和TM两种线偏振叠加两种线偏振叠加1k1n2ns1EPH11i1i2i1ksE1pH1sE2pH22kTE波界面折射、反射波界面折射、反射E、H矢量在界面处切向连续矢量在界面处切向连续221111211coscoscosiHiHiHEEEpppsss反射和折射不改变反射和折射不改变E、H的振的振动态动态2221111coscos)(iEniEEnsss一一. . 反射、折射的振幅比反射、折射的振幅比 菲涅耳公式菲涅耳公式TE波波1k1n2ns1EPH11i1i2i1ksE1pH1

3、sE2pH22k光学介质光学介质- -非磁介质非磁介质EcnH0021可得可得s光光振幅反射率振幅反射率2211221111coscoscoscosininininEErsss振幅透射率振幅透射率22111112coscoscos2inininEEtsss同样分析同样分析TM光，可得光，可得p光光s光光振幅反射率振幅反射率振幅透射率振幅透射率2112211211coscoscoscosininininEErppp22121112coscoscos2inininEEtpppp光光利用关系利用关系2211sinsininin121212121212121212sin()sin()2cos sins

4、in()tan()tan()2cos sinsin()cos()sspsiiriiiitiiiiriiiitiiii 菲涅耳公式菲涅耳公式说明说明1. Es 和和 Ep 是同一矢量是同一矢量 E 的的 s 分量和分量和 p 分量。频分量。频率相同。可以表瞬时量，也可表复振幅；率相同。可以表瞬时量，也可表复振幅；2. 正负随规定不同而不同，物理实质不变；正负随规定不同而不同，物理实质不变；3. S 分量与分量与 p 分量相互独立。分量相互独立。菲涅耳公式以菲涅耳公式以 i1 表示表示1222112211211222112211222112211222111122211122211sincosco

5、s2sincossincossincoscos2sincossincosininintininininriniitiniinirppss1221/nnn内反射内反射1,2112nnn从光疏介质射向光密介质从光疏介质射向光密介质外反射外反射1,2112nnn从光密介质射向光疏介质从光密介质射向光疏介质 三个特殊角度三个特殊角度(1) 正入射正入射 i1 = 0，不论内反射还是外反射，不论内反射还是外反射2112112122121212121212121111nnnnttnnnnnnrrnnnnnnrpsspsbibi2i1n2n(2) 无论外反射和内反射都有一特殊角度无论外反射和内反射都有一特殊

6、角度. 0tantan1121211pbbriinnniib 称为称为布儒斯特布儒斯特(D.Brewster)角角(3) 对内反射对内反射( (光密到光疏光密到光疏) )，存在一角度，存在一角度1sinsin1121211psccrriinnniic 称为称为全反射临界角全反射临界角二二. . 反射、折射能流比与光强比反射、折射能流比与光强比光强正比于光振动振幅平方光强正比于光振动振幅平方注意：注意：一般折射反射问题中，考虑不同折射率的影响一般折射反射问题中，考虑不同折射率的影响2021 , nEI 光强反射率光强反射率221121111221121111ppppppssssssrEnEnII

7、RrEnEnIIR 光强反射率光强反射率 光强折射率光强折射率光强透射率光强透射率2122112221221221122212ppppppsssssstnnEnEnIITtnnEnEnIIT 能流反射率能流反射率 能流折射率能流折射率通过界面上某一面积的入射光、反射光通过界面上某一面积的入射光、反射光和折射和折射光通量之比光通量之比能流比能流比: :222221111111111coscoscosiAIAIWiAIAIWiAIAIW光通量光通量能流反射率能流反射率ppppppssssssRIIWWRIIWW11111111RRppppppssssssTiiiIiIWWTiiiIiIWW1211

8、221212112212coscoscoscoscoscoscoscosTT能流透射率能流透射率2A1A1AA1W1W2W1i1i2i1n2n能量守恒能量守恒11ppssTRTR自然光入射自然光入射总能流反射率总能流反射率pspsWWWWWW111111总入射能流总反射能流R自然光二正交线偏振分量强度相等自然光二正交线偏振分量强度相等11121WWWps)(21221111111psppsspsWWWWWWWRR R R类似可得类似可得总光强反射率总光强反射率：R)(21111111pspspsRRIIIIIIR总入射光强总反射光强由能量守恒由能量守恒1TR总光强透射率总光强透射率)(2111

9、2212pspspsTTIIIIIIT总入射光强总透射光强总能流透射率总能流透射率R11 R-T注意：注意：正入射时，无论外反射内反射正入射时，无论外反射内反射22121221212122122121)(4) 1(4)()11(nnnnnnTTTnnnnnnRRRpsps例如：例如：在湖岸边观察水下物体时，近物要比远物更加在湖岸边观察水下物体时，近物要比远物更加清楚，相反，远处物体在湖面的倒影则比近物更加清清楚，相反，远处物体在湖面的倒影则比近物更加清晰。晰。对空气对空气- -玻璃界面，玻璃界面，R = 0.04，T = 0.96。外反射时，外反射时，R 一般随入射角一般随入射角 i1 的增加

10、而增大，当的增加而增大，当 即掠入射即掠入射 Rs 和和 RP 均趋近于均趋近于1。901i例例(1) 求证：当光线以布儒斯特角入射时，折射光线与求证：当光线以布儒斯特角入射时，折射光线与反射光线互相垂直反射光线互相垂直； (2) 讨论当讨论当 p 光以布儒斯特角入射时，透射光与入射光以布儒斯特角入射时，透射光与入射光的能流比和光强比。光的能流比和光强比。解：解：(1)2111tantan,niiiibb由折射定律由折射定律2/,sincossintansinsin212121212211iiiiiiiiini均为锐角，(2) 此时此时11, 0, 0pppprRTR即：即：能量全部进入第二种

11、介质能量全部进入第二种介质注意到注意到2/21ii21212211112111221212111tan12sincos2 )2(coscos2)cos()sin(sincos2ntnnTniiiiiiiiiiiitppp光疏进入光密时光疏进入光密时 n211 , Tp1 透射光强小于入射光强透射光强小于入射光强光密进入光疏时光密进入光疏时 n211 透射光强大于入射光强透射光强大于入射光强结论结论三三. . 反射光与折射光的相位变化反射光与折射光的相位变化psEE 复振幅复振幅为正值时为正值时附加相位为零附加相位为零; ;为负值时为负值时附加相位为附加相位为 r, t-实数实数,由菲涅耳公式由

12、菲涅耳公式)( (1) 折射光永无相移折射光永无相移0, 0pstt透射光永远与入射光同相透射光永远与入射光同相(1) 复振幅之比仍为复数；复振幅之比仍为复数；(2) 模表示振幅之比，复角表示反射、波折射模表示振幅之比，复角表示反射、波折射 波相对入射波的相位变化波相对入射波的相位变化( (附加相位附加相位) )。注意：注意：外反射和外反射和 i1 ic 的内反射的内反射讨论讨论(2) 反射光的相位变化反射光的相位变化 外反射外反射2121,iinnS光：光： 反相反相0sr 内反射内反射2121,iinn1i1i2i1n2n1i1i2i1n2nS光：光：01scrii同相同相P光：光：0,0

13、,0,111pbpbpbriiriirii同相同相无反射无反射p光光反相反相P光：光：0,0,0,111pcbpbpbriiiriirii反相反相无反射无反射p光光同相同相(3) 半波损失问题讨论半波损失问题讨论界面上反射波界面上反射波E矢量矢量s分量分量和和p分量均发生振动方向反转分量均发生振动方向反转光程跃变光程跃变2/半波损失半波损失相位跃变相位跃变正入射时正入射时 外反射 内反射 rs - + rp + - ts + + tp + +正入射时振幅比的符号正入射时振幅比的符号 单个界面单个界面sssppp外反射外反射sssppp内反射内反射kps正向规定正向规定(1) 外反射外反射 s

14、分量和分量和 p 分量都对入射波发生了反转分量都对入射波发生了反转反射入射反射入射 E 反向反向外反射有半波损失外反射有半波损失内反射无半波损失内反射无半波损失(2) 内反射内反射 s 分量和分量和 p 分量都未反向分量都未反向反射入射反射入射 E 同同向向(3) 透射波：无论发生外反射或内反射透射波：无论发生外反射或内反射均无半波损失均无半波损失同样方法可讨论掠入射的半波损失情况同样方法可讨论掠入射的半波损失情况结论结论 介质板上下表面的反射和折射介质板上下表面的反射和折射光束光束1、2的的附加程差为附加程差为2/光束光束2、3、4之间或之间或 1、2 、3之间之间附加程差均为零附加程差均为

15、零30121230i0ii4 单一界面单一界面1. 光从光从光疏介质射向光密介质光疏介质射向光密介质，正入射及掠入射时，正入射及掠入射时，反射光均反射光均有半波损失有半波损失; ;2. 光从光从光密介质射向光疏介质光密介质射向光疏介质，正入射时反射光，正入射时反射光无半无半波损失波损失；3. 任何情况下，任何情况下，透射光均无半波损失透射光均无半波损失。 介质板在均匀介质中介质板在均匀介质中任何情况下，反射光任何情况下，反射光1、2 之间的光程差需计入半波损之间的光程差需计入半波损失失( (附加半波程差附加半波程差) )，光束，光束2、3、4 之间或之间或1、2 、3之间无须引入附加程差。之间

16、无须引入附加程差。半波损失相关结论半波损失相关结论四四. . 反射光与折射光的偏振状态反射光与折射光的偏振状态1. 入射光为入射光为线偏振光线偏振光 反射光仍为反射光仍为线偏振光线偏振光；2. 入射光为入射光为圆偏振光圆偏振光 为为椭圆偏振光椭圆偏振光( (旋向相同旋向相同) )；3. 入射光为入射光为自然光自然光 反射为反射为部分偏振光部分偏振光，s光强度光强度大于大于p光强度；光强度；(1) 正入射时正入射时( (外反射和内反射外反射和内反射) )及掠入射时，反射光及掠入射时，反射光和折射光都是自然光；和折射光都是自然光；(2) 以布儒斯特角入射以布儒斯特角入射( (外反射和内反射外反射和

17、内反射) )，反射光为，反射光为s态偏振光，折射光中态偏振光，折射光中p态偏振光占优势。态偏振光占优势。五五. . 全反射与隐逝波全反射与隐逝波 全反射全反射1, 1sincossincossincossincos221121221221121221221121221121psRRRsppsrrniiinniiinrniiiniiir结论：结论：入射能量全部回到介质入射能量全部回到介质1 全内反射全内反射( (全反射全反射) )当光从光密介质射向光疏介质当光从光密介质射向光疏介质 且入射角且入射角cii 1psrr ,为复数为复数12212211211221121cossintan2argco

18、ssintan2arginnirinirppss一般一般ps全反射对全反射对S光和光和P光引入相差光引入相差ps全反射时，全反射时，S光和光和P光的相移光的相移当线偏振光入射时，反射光一般为椭圆偏振光当线偏振光入射时，反射光一般为椭圆偏振光 隐逝波隐逝波 理想：理想：全反射时全反射时射向第二介质的能流全部返回到第射向第二介质的能流全部返回到第 一介质一介质没有流向第二介质的平均能流没有流向第二介质的平均能流由于半波损失及全反射时由于半波损失及全反射时 -入射波入射波E E矢量与反射波矢量与反射波E矢量在界面处不会反向矢量在界面处不会反向界面上总场并非为零界面上总场并非为零ps,电磁矢量的切向连

19、续性电磁矢量的切向连续性波场会延伸到第二种介质中波场会延伸到第二种介质中21iiic透射函数中透射函数中 已无实数意义已无实数意义. .1sinisin1cos22112222niii)exp()/sinexp()exp(21122202tinixikzkEE波函数化为：波函数化为：穿透深度穿透深度 第二介质中，波的振幅衰减到最大值的第二介质中，波的振幅衰减到最大值的1/e 时的深度时的深度 ,sin2122112120nikz空域中迅速衰减的波空域中迅速衰减的波 隐逝波隐逝波波的振幅随波的振幅随z的增加呈指数衰减的增加呈指数衰减介质介质1中的波长中的波长1(1) 当光从第一种介质射向第二种介

20、质时，光能全部当光从第一种介质射向第二种介质时，光能全部反射吗？能全部透射吗？说明其条件。反射吗？能全部透射吗？说明其条件。(2) 光从第一种介质射向第二种介质时，何时第二种光从第一种介质射向第二种介质时，何时第二种介质中的光强大于第一种介质中的光强？介质中的光强大于第一种介质中的光强？(3) 改变视角观察水面倒影和水底物体，从而验证光改变视角观察水面倒影和水底物体，从而验证光强反射率随入射角的变化规律。强反射率随入射角的变化规律。问题讨论问题讨论1. 光的反射和折射光的反射和折射2. 波片堆透射光的偏振度波片堆透射光的偏振度折射率为折射率为n的的N块平面平行玻璃板放在折射率为块平面平行玻璃板放在折射率为n0的周的周围介质中，一束自然光以布儒斯特角射向该波片堆围介质中，一束自然光以布儒斯特角射向该波片堆. .求从该波片底部出射的光的偏振度求从该波片底部出射的光的偏振度. .n0n0nbi此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！