1.2-光波在各向同性介质界面的反射和折射.ppt

第1章光的特性1.2光波在各向同性介质界面上的反射和折射光在介质界面上的反射和折射，实质上是光与介质相互作用的结果。简化处理--不考虑光与介质的微观作用，根据麦克斯韦方程组和电磁场的边界条件进行讨论1.2.1反射定律和折射定律--方向关系1.2.2菲涅耳公式--振幅与相位关系1.2.3反射率和透射率--能量关系1.2.4反射和折射的相位特性1.2.5反射和折射的偏振特性--偏振关系1.2.6全反射1.2.1反射定律和折射定律条件：两介质为均匀、透明、各向同性；分界面为无穷大的平面；入射、反射和折射光均为平面光波。光场方程反射定律和折射定律1.2.2菲涅耳公式描述入射光、反射光和折射光之间的振幅、相位关系。1.s分量和p分量3.菲涅耳公式已知界面两侧的折射率n1、n2和入射角θ1，就可由折射定律确定折射角θ2；由菲涅耳公式求出反射系数和透射系数。反射、透射系数与入射角的关系反射系数、透射系数随入射角变化曲线(a)光由光疏介质射向光密介质1.2.3反射率和透射率前提：假设在界面反射、折射过程中无吸收、散射等能量损失。入射光的能量在界面上重新分配，总能量保持不变。反射率入射光中s分量和p分量的反射率(不相同)为讨论：反射率的特性1.反射率与偏振状态的关系一般情况下，Rs?Rp;-与偏振状态有关小角度(正射)和大角度(掠射)情况下，Rs≈Rp;-无关2.反射率随入射角的变化趋势θ1＜θB时，R数值小，由Rs=Rp=4.3%缓慢变化；θ1＞θB时，R随着θ1的增大急剧上升，到达Rs=Rp=1。3.反射率与界面两侧介质的折射率有关n1=1的情况下，光正入射介质时，介质反射率R随其折射率n的变化曲线。1.2.4反射和折射的相位特性1.折射光与入射光的相位关系2.反射光与入射光的相位关系反射光与入射光的相位关系较复杂。1)反射光与入射光中s,p分量的相位关系*不要求掌握2)反射光与入射光的相位关系仅对其中几种特殊情况进行讨论掌握反射过程中产生“半波损失”的条件3)薄膜上下表面的反射掌握上、下表面反射光产生“额外光程差”的条件1)反射光与入射光中s,p分量的相位关系*(2)n1n2时，光密入射光疏。s分量的反射系数rs入射角θ1在00到θC的范围内，s分量的反射系数rs＞0;反射光中的s分量与入射光中的s分量同相位，φrs=0。2)反射光与入射光的相位关系(1)小角度入射的反射特性①n1＜n2，光疏到光密。先考察θ1=00的正入射情况。由图1-24(a)，有②n1n2，光密到光疏(2)大角度入射(掠射)的反射特性n1＜n2，光疏到光密。θ1≈900的掠射情况。由图1-24(a)，有3)薄膜上下表面的反射对于从平行平面薄膜两表面反射的1、2两束光，有以下四种情况：1.2.5反射和折射的偏振特性偏振度反射和折射的偏振特性自然光的反射、折射特性线偏振光的反射的振动面旋转偏振度--描述光波偏振特性任意光矢量均可视为两个正交分量(例如，s分量和p分量)的组合。任意光波能量都可表示为自然光的反射、折射特性讨论：不同入射角情况下的特性①自然光正射(θ1=00)和掠射界面(θ1≈900)时，Rs=RP,Ts=Tp，因而Pr=Pt=0，即反射光和折射光仍为自然光。②自然光斜射界面时，因Rs和Rp、Ts和Tp不相等，所以反射光和折射光都变成了部分偏振光。自然光反射率随入射角的变化规律(i)光疏到光密。由图1-26(a)可见，在θ1＜450范围内，Rn基本不变，且近似等于4.3%；在θ1＞450时，随θ1的增大，Rn较快地变大；(ii)光密到光疏。在入射角大于临界角范围内，将发生全反射；(iii)特殊情况，当θ1=θB时，由于Rp=0，Pr=1，故，反射光为完全偏振光。举例例：光由空气以布儒斯特角射向玻璃布儒斯特角为如何通过界面反射、折射获得偏振光？采用“片堆”可以获得高强度、高偏振度的偏振光；线偏振光的反射的振动面旋转反射光当θ1=0或θ1=π/2，即正入射或掠入射时，振动面不旋转在一般入射角时，振动面远离入射面；折射光当θ1=0，即正入射时，振动面不旋转；在一般入射角时，振动面转向入射面。1.2.6全反射光从光密介质(n1)射向光疏介质(n2)时，会发生全反射现象；条件是：入射角?1?c(临界角)，sin?c=n2/n1;反射波反射光强等于入射光强，相位变化复杂；反射系数(s,p分量)是复数；模(振幅)相等，幅角(相位)不相等。相位差取决于入射角和二介质的相对折射率。(1-171)衰逝波全反