光学-郭永康-5光在各向同性介质界面的反射和折课件

CH3-5光在各向同性介质界面的反射折射reflectionanddiffractionattheinterfaceofisotropicdielectricsoflightwaveCH3-5光在各向同性介质界面的反射折射3.5光在各向同性介质界面的反射折射电磁理论边界条件反射定律、折射定律菲涅耳公式菲涅耳公式反射、折射---振幅、强度、能流p态—振动矢量在入射面内s态—振动矢量垂直于入射面TE波—E为s态,H为p态TM波—E为p态H为s态任一偏振态的入射光均可依据正交分解看作TE和TM两种线偏振叠加TE波界面折射、反射3.5光在各向同性介质界面的反射折射电磁理论反射定律、折射E、H矢量在界面处切向连续反射和折射不改变E、H的振动态一.反射、折射的振幅比菲涅耳公式TE波光学介质-非磁介质E、H矢量在界面处切向连续反射和折射不改变E、H的振动态一.可得s光振幅反射率振幅透射率同样分析TM光，可得p光s光振幅反射率振幅透射率p光可得s光振幅反射率振幅透射率同样分析TM光，可得p光s光振幅利用关系菲涅耳公式利用关系菲涅耳公式说明1.

Es

和Ep

是同一矢量E的

s分量和

p分量。频率相同。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；3.S分量与

p分量相互独立。说明1.Es和Ep是同一矢量E的s分量和p菲涅耳公式以i1

表示菲涅耳公式以i1表示内反射—从光疏介质射向光密介质外反射—从光密介质射向光疏介质◆三个特殊角度(1)正入射

i1

=0，不论内反射还是外反射内反射—从光疏介质射向光密介质外反射—从光密介质射向光疏介质(2)无论外反射和内反射都有一特殊角度ib称为布儒斯特(D.Brewster)角(3)对内反射(光密到光疏)，存在一角度ic

称为全反射临界角(2)无论外反射和内反射都有一特殊角度ib称为布儒斯特(二.反射、折射能流比与光强比光强正比于光振动振幅平方注意：一般折射反射问题中，考虑不同折射率的影响光强反射率•光强反射率光强折射率二.反射、折射能流比与光强比光强正比于光振动振幅平方注意：光强透射率•能流反射率能流折射率通过界面上某一面积的入射光、反射光和折射光通量之比能流比:光强透射率•能流反射率能流折射率通过界面上某一面积的入光通量能流反射率能流透射率光通量能流反射率能流透射率能量守恒自然光入射总能流反射率自然光二正交线偏振分量强度相等能量守恒自然光入射总能流反射率自然光二正交线偏振分量强度相等类似可得总光强反射率：由能量守恒总光强透射率总能流透射率类似可得总光强反射率：由能量守恒总光强透射率总能流透射率注意：正入射时，无论外反射内反射例如：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晰。对空气-玻璃界面，R=0.04，T=0.96。外反射时，R

一般随入射角

i1

的增加而增大，当即掠入射Rs

和

RP

均趋近于1。注意：正入射时，无论外反射内反射例如：在湖岸边观察水下物体时例(1)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；(2)讨论当p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。解：(1)由折射定律(2)此时即：能量全部进入第二种介质例(1)求证：当光线以布儒斯特角入射时，折射光线与解：(1注意到光疏进入光密时—

n21>1,Tp<1—透射光强小于入射光强光密进入光疏时—n21<1,Tp>1—透射光强大于入射光强结论注意到光疏进入光密时—n21>1,Tp<1—透射三.反射光与折射光的相位变化复振幅为正值时—附加相位为零;为负值时—附加相位为r,t--实数,由菲涅耳公式(1)折射光永无相移透射光永远与入射光同相(1)复振幅之比仍为复数；(2)模表示振幅之比，复角表示反射、波折射波相对入射波的相位变化(附加相位)。注意：外反射和

i1<ic

的内反射讨论三.反射光与折射光的相位变化复振幅为正值时—附加相位为零;(2)反射光的相位变化•外反射S光：

反相•内反射S光：同相P光：同相无反射p光反相P光：反相无反射p光同相(2)反射光的相位变化•外反射S光：反相•(3)半波损失问题讨论界面上反射波E矢量—s分量和p分量均发生振动方向反转光程跃变半波损失相位跃变正入射时外反射内反射rs-+rp+-

ts++

tp++正入射时振幅比的符号•单个界面外反射内反射正向规定(3)半波损失问题讨论界面上反射波E矢量—s分量光程跃变半(1)外反射s分量和p分量都对入射波发生了反转—反射入射E反向外反射有半波损失内反射无半波损失(2)内反射s分量和p分量都未反向—反射入射E同向(3)透射波：无论发生外反射或内反射均无半波损失同样方法可讨论掠入射的半波损失情况结论(1)外反射s分量和p分量都对入射波发生了反转—反•介质板上下表面的反射和折射光束1、2的附加程差为光束2、3、4之间或1’、2’、3’之间附加程差均为零•介质板上下表面的反射和折射光束1、2的附加程差为光束2、•单一界面1.光从光疏介质射向光密介质，正入射及掠入射时，反射光均有半波损失;2.光从光密介质射向光疏介质，正入射时反射光无半波损失；3.任何情况下，透射光均无半波损失。•介质板在均匀介质中任何情况下，反射光1、2之间的光程差需计入半波损失(附加半波程差)，光束2、3、4之间或1’、2’、3’之间无须引入附加程差。半波损失相关结论•单一界面1.光从光疏介质射向光密介质，正入射及掠入射时四.反射光与折射光的偏振状态1.入射光为线偏振光—反射光仍为线偏振光；2.入射光为圆偏振光—为椭圆偏振光(旋向相同)；3.入射光为自然光—反射为部分偏振光，s光强度大于p光强度；(1)正入射时(外反射和内反射)及掠入射时，反射光和折射光都是自然光；(2)以布儒斯特角入射(外反射和内反射)，反射光为s态偏振光，折射光中p态偏振光占优势。四.反射光与折射光的偏振状态1.入射光为线偏振光—反五.全反射与隐逝波•全反射结论：入射能量全部回到介质1—

全内反射(全反射)当光从光密介质射向光疏介质且入射角为复数五.全反射与隐逝波•全反射结论：入射能量全部回到介质1一般全反射对S光和P光引入相差全反射时，S光和P光的相移当线偏振光入射时，反射光一般为椭圆偏振光一般全反射对S光和P光引入相差全反射时，S光和P光的相移当线•隐逝波理想：全反射时—射向第二介质的能流全部返回到第一介质没有流向第二介质的平均能流由于半波损失及全反射时--入射波E矢量与反射波E矢量在界面处不会反向界面上总场并非为零电磁矢量的切向连续性波场会延伸到第二种介质中透射函数中已无实数意义.波函数化为：•隐逝波理想：全反射时—射向第二介质的能流全部返回到第穿透深度

—

第二介质中，波的振幅衰减到最大值的1/e时的深度空域中迅速衰减的波—

隐逝波波的振幅随z的增加呈指数衰减介质1中的波长穿透深度—第二介质中，波的振幅衰减到最大值的1/e时的(1)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。(2)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？(3)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。问题讨论1.光的反射和折射(1)当光从第一种介质射