电磁波在介质界面上的反射与折射.ppt

4.2 电磁波在介质界面上的反射和折射 电磁波入射到介质界面上，会发生反射、折射现象(如光从空气 中入射到水面、玻璃面)。 反射、折射定律有两个方面的问题： （1）入射角、反射角和折射角之间的关系； （2）入射波、反射波和折射波振幅比和相对相位。 一、反射和折射定律一、反射和折射定律 1电磁场的边值关系 只有旋度方程独立 1 2反射、折射定律的导出过程 （1）假设入射波为单色平面电磁波，反射波、折射波也为平面 电磁波 （2）波矢分量间的关系为 且 和 在一个平面内 证明: 2 在界面上 z= 0, x，y 任意，有 因为 任意，要使上式成立，只有 同理可以证明 两边除以 两边对x求偏导 3 （4）入射、反射、折射波矢与z轴夹角之间的关系 因此反射、折射波矢也在 平面 （3）入射波、反射波、折射波在同一平面 入射波在 平面即： 入射角等于反射角 在同一介质1中 4 入射角的正弦与折射角的正弦之比为常数 5 二、振幅关系 菲涅耳公式 1 垂直入射面（ 平面） 6 菲涅耳公式 7 2 平行入射面 入射面，假定 与 方 向相同 菲涅耳公式 垂直于入射面偏振的波与平行于入射面偏振的波的反射和折射行为不同 8 3 在任意方向，可以分解为 9 在 垂直入射面情形下，从光疏介质到光密介质，即 4相位关系 即电磁波反射时发生相位突变，反射波与入射波反相，相位差为 ，相当于损失了半个波长的相位，故称为反射过程中的半波损 失 半波损失：光从光疏介质射向光密介质时的反射过程中，反射光 在离开反射点时的振动方向相对于入射光到达入射点时的振动方 向恰好相反的现象 10 线偏振光 符号表示 部分偏振光 ：某一方向的光振动比与之垂直方向 上的光振动占优势的光为部分偏振光 . 符号表示 光振动只沿某一固定方向的光 . 振动面 11 5偏振问题 即反射波和折射波都变为部分偏振光（各个方向上 大小不完全 相同）。 （1）入射波为自然光（非偏振光，包括垂直于光波 传播方向的所有可能的振动方向，即两种偏振光的等 量混合，在各个方向上 均相同,即: ） 由菲涅尔公式 （2）布儒斯特定律：若 ，则 ，因此平行于 入射面的分量没有反射波 ，反射波变为垂直于入射面偏振 的完全偏振光，此时的入射角为布儒斯特角 12 三全反射 1 1全反射全反射现现现现象象 特别是当 时，折射定律的原形式将失去意 义，这时一般观察不到折射波，只有反射波，因而称 作全反射。实际上仍然有波透射入第二种介质，但是 透射波仅仅存在于界面附近薄层中。 折射波 沿界面 传播 光从光密介质射入到光疏介质时， 13 2 2全反射情况下全反射情况下 的表达式的表达式 设 为全反射情况下的平面波解， 仍然假定入射波在 平面，即 复数 14 3 3 折射波的特点折射波的特点 折射波在全反射时沿x轴传播并沿z轴正向指数衰减 折射波只存在于界面附近一个层内，透入深度d（振幅衰减 为界面处的1/e时的厚度）与波长同量级 界面处振幅透入深度d处振幅 15 4.4.折射波平均能流密度折射波平均能流密度 折射波磁场强度 Hz与E同相，但Hx与E有90相位差 考虑 E垂直入射面情况(E =Ey), 16 平均能流密度为 即折射波平均能流密度只有x分量，沿z轴方向透入第二介 质的平均能流密度为零 17 本节推出的有关反射和折射的公式在 sinn21情形下形式 上仍然成立只要作对应 则由菲涅耳公式可以求出反射波和折射波的振幅和相 位例如在E垂直入射面情形， 5全反射情况下振幅和相位关系 18 此式表示反射波与入射波具有相同振幅，但有一定的相位差 反射波平均能流密度数值上和入射波平均能流密度相等， 因此电磁能量被全部反射出去这现象称为全反射 但E和E的相位不同，因此反射波与入射波的瞬时能流值不同 尽管 Sz 的平均值为零，但其