折射與反射定律菲涅耳公式

1、關(guān)于折射和反射定律菲涅耳公式1第一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2一、折射和反射定律1、折射和反射定律內(nèi)容2、分析內(nèi)容第二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月31、折射和反射定律的內(nèi)容是：時(shí)間頻率是不變的；反射波和折射波均在入射面內(nèi)；反射角等于入射角。折射定律：折射介質(zhì)折射率與折射角正弦之積等于入射介質(zhì)折射率與入射角正弦之積。 2、分析： 圖1rtOxzOi12界面第三張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4界面兩側(cè)的總電場(chǎng)為： 電場(chǎng)的邊界條件欲使上式對(duì)任意的時(shí)間t和界面上 均成立，則必然有： (2)(1)可見(jiàn)，時(shí)間頻率是入射電磁波或光波的固有特性，它不因媒質(zhì)而異，也不會(huì)

2、因折射或反射而變化；第四張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5由于 可以在界面內(nèi)選取不同方向，上式實(shí)際上意味著矢量 和 均與界面的法線 平行，由此可以推知， 、 、 與 共面，該平面稱為入射面。r=i (3)n2sint=n1sini (4)(2)寫成標(biāo)量形式，并約掉共同的位置量結(jié)論：反射波和折射波均在入射面內(nèi)。反射角等于入射角折射定律第五張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月6二、菲涅耳公式1、公式的推導(dǎo)2、公式的另外兩種形式內(nèi)容第六張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月71、 Fresnel公式的推導(dǎo)折、反射定律給出了反射波、折射波和入射波傳播方向之間的關(guān)系。而反射波、折射波

3、和入射波在振幅和位相之間的定量關(guān)系由Fresnel公式來(lái)描述。 只推導(dǎo)反射波、折射波和入射波的電場(chǎng) 的Fresnel公式。 方法和步驟的內(nèi)旨電場(chǎng) 是矢量，可將其分解為一對(duì)正交的電場(chǎng)分量，一個(gè)振動(dòng)方向垂直于入射面，稱為s分量，另外一個(gè)振動(dòng)方向在或者說(shuō)平行于入射面，稱為p分量。首先研究入射波僅含s分量和僅含p分量這兩種特殊情況。當(dāng)兩種分量同時(shí)存在時(shí)，則只要分別先計(jì)算由單個(gè)分量成分的折射、反射電場(chǎng)；然后根據(jù)矢量疊加原理進(jìn)行矢量相加即可得到結(jié)果。 第七張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月81)、單獨(dú)存在s分量的情形規(guī)定：電場(chǎng)和磁場(chǎng)的s分量垂直于紙面，向外為正，向內(nèi)為負(fù)。 圖2tOri12界面在界

4、面上電場(chǎng)切向分量連續(xù)： (5) (6) 在界面上磁場(chǎng)的切向分量連續(xù)： 第八張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9非磁性各向同性介質(zhì)中 、 的數(shù)值之間的關(guān)系： (7)(6) (5) s分量的透射系數(shù)(8)(9)s分量的反射系數(shù)第九張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月102)、單獨(dú)存在p分量的情形規(guī)定：p分量按照其在界面上的投影方向，向右為正，向左為負(fù)。 圖3tOri12界面(10) (11) 即： 的p分量的切向分量一致向右組成右手坐標(biāo)系的正方向如圖所示根據(jù) 的邊界條件得：第十張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月11再利用 、 的數(shù)值關(guān)系以及 、 之間的正交性，得到： (12)

5、 (13) 公式(8)、(9)、(12)、(13)稱為Fresnel公式： (8)(9)(12) (13) p分量的透射系數(shù)p分量的反射系數(shù)第十一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月122、公式的另外兩種形式(14) (15) 令： (16) (17) (8)(9)(12) (13) 將它們變形 (18) (19) 第十二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月13于是得Fresnel公式的另外一種形式：(20)(21)(22)(23)第十三張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月14利用折射定律，F(xiàn)resnel公式還可以寫成如下的形式： (24)(25)(26)(27)第十四張，P

6、PT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月15三、根據(jù)Fresnel公式討論反射波和透射波的性質(zhì)1. n1n2的情況 內(nèi)容第十五張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月161. n1t 。(1)、反射和透射系數(shù)的變化：圖4tptsrprsn2/n1=2.0 1)、兩個(gè)透射系數(shù)ts和tp都隨著入射角i增大而單調(diào)降低，即入射波越傾斜，透射波越弱，并且在正向規(guī)定下，ts和tp都大于零。 第十六張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月172)、rs始終小于零，其絕對(duì)值隨著入射角單調(diào)增大。根據(jù)正方向規(guī)定可知，在界面上反射波電場(chǎng)的s分量振動(dòng)方向始終與入射波s分量相反。 位相躍變(半波損失) 負(fù)號(hào)寫成在界面上

7、任何一點(diǎn)，反射波s分量與入射波s分量間都有一個(gè)的位相差別。 圖4n2/n1=2.0 位相躍變 這樣，位相差相當(dāng)于電磁波(光)傳播半個(gè)波長(zhǎng)的距離，所以該現(xiàn)象又可稱為半波損失。 第十七張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月18圖4n2/n1=2.0 3)、對(duì)于rp，它的代數(shù)值隨著入射角i單調(diào)增大，但是經(jīng)歷了一個(gè)由負(fù)到正的變化。 i=特定值B ，rp=0 布儒斯特定律利用折射定律 布儒斯特角 (28) 如果平面波以布儒斯特角入射，則不論入射波的電場(chǎng)振動(dòng)如何，反射波不再含有p分量，只有s分量； 如果平面波以布儒斯特角入射，反射角與折射角互為余角，所以第十八張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月

8、19、當(dāng)i較小時(shí)， rp0，但因它們的正向規(guī)定基本相反，所以實(shí)際上仍有Eip和Erp的主要成分相反向；因此說(shuō)，n1n2時(shí)，反射波電場(chǎng)方向總與入射波電場(chǎng)方向相反或接近相反。 圖3tOri12界面第十九張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月20i =0的情形是一個(gè)特殊的情況，稱為正入射。這時(shí)，折射角t=0，由Fresnel公式容易算出在正入射時(shí)s和p分量的差別消失，用r0和t0分別表示正入射時(shí)的反射和透射系數(shù)，則有： (29) (30) (29)、 (30)兩式可以看出，兩媒質(zhì)折射率的差別越大，r0的絕對(duì)值越大，而t0值越小。從圖4可以看出，四條曲線在i =0處的斜率都是零，所以公式(29)、

9、(30)還可以用來(lái)估計(jì)小i(15)處的系數(shù)。例如，對(duì)于n2/n1=1.5，r0=-0.2，t0=0.8，在i =10時(shí)，直接由Fresnel公式計(jì)算可得到：rs=-0.2041，rp=-0.1959，ts=0.7969，tp=0.7973，可見(jiàn)它們分別與r0和t0接近。4)、i =0和90的情況圖4n2/n1=2.0 對(duì)于n2/n1=2.0，r0=-0.33，t0=0.67i =90的情形也是一個(gè)特殊的情況，此時(shí)，rs=-1，rp=1。ts=tp=0，這表示電磁波僅僅在界面上掠過(guò)，并未真正進(jìn)入第二媒質(zhì)里因此稱這種入射為掠入射。這些數(shù)值畫出了圖4各曲線的終點(diǎn)。 第二十張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于

10、2022年6月21(2)、反射率和透射率的變化波的橫截面面積與投射在界面上的面積存在著關(guān)系 12As(31) Wis=IisA0cosi (32) Wts=ItsA0cost AtAiA0Wrs=IrsA0cosr=IrsA0cosi 定義：s分量的反射率Rs為Wrs與Wis之比；s分量的透射率Ts為Wts與Wis之比。第二十一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月22于是有： (33) (34) 類似地，當(dāng)入射波只含有p分量的時(shí)，可以求出p分量的反射率Rp和透射率Tp： (35) (36) 將Fresnel公式代入上面四式，即可分別得到Rs、Rp、Ts、Tp與入射角i的函數(shù)關(guān)系。 第二十

11、二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月23圖6TpTsRpRs Rs與Ts之間、Rp 與Tp之間均存在互補(bǔ)關(guān)系，即：Rs+Ts=1 (37)Rp+Tp=1 (38)這表明，在界面處，入射波的能量全部轉(zhuǎn)換為反射波和折射波的能量。條件：界面處沒(méi)有散射、吸收等能量損失。第二十三張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月24當(dāng)入射波同時(shí)含有s分量和p分量時(shí)，由于兩個(gè)分量的方向互相垂直，所以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻都有： 從而有： Ii=Iis+Iip Wi =Wis+ Wip類似地，有：Wr =Wrs+ WrpWt =Wts+ Wtp可以定義反射率R和透射率T為： 注意：入射光波的s分量(p分量)只

12、對(duì)折射率、反射率的s分量(p分量)有貢獻(xiàn)如果入射波中s和p分量的強(qiáng)度比為，Wis= Wip，則有： 即R和T分別是Rs、Rp和Ts、Tp的加權(quán)平均。 但是仍然有： R+T=1 第二十四張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月25正入射時(shí)，s分量和p分量的差異消失。若用R0和T0表示此時(shí)的反射率和透射率，則有： 利用這兩個(gè)等式可以估算非正入射但是入射角很小(in2的情形 這種情形即由光密媒質(zhì)入射到光疏媒質(zhì)的情形。由折射定律可知，ic兩種情況來(lái)討論。 1)、當(dāng)ic時(shí)此時(shí)t90，可以直接用Fresnel公式來(lái)討論反射波和折射波的性質(zhì)，分析方法和n1n2的情形完全相同。第二十六張，PPT共三十七頁(yè)，

13、創(chuàng)作于2022年6月27圖7rprstpts|tp|ts|-|rp|rs|n1/n2 =1.5結(jié)論a)、反射系數(shù)rs、rp和n1n2的情形相反，說(shuō)明s分量不再存在位相躍變；b)、sinc=tanB=n2/n1，所以必然是Bn2還是n1c時(shí)(40) (41) 復(fù)數(shù)形式的反射系數(shù) (42) (43) 因?yàn)閕始終是實(shí)參量，形式上有：sint1，t在實(shí)數(shù)范圍內(nèi)不存在，可以將有關(guān)參量擴(kuò)展到復(fù)數(shù)領(lǐng)域。 第二十八張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月29(42) (43) 首先討論|rs|、|rp|反射系數(shù)的模值|rs|、|rp|仍然可以理解為反射波和入射波對(duì)應(yīng)分量的振幅比；此時(shí)， |rs|=|rp|=

14、1，因而Rs=Rp=R=1；所以當(dāng)ic時(shí)，入射波的能量全部返回到n1媒質(zhì)里，這種現(xiàn)象稱為全反射或者全內(nèi)反射。 圖7rstp|tp|-|rp|rs|n1/n2 =1.5第二十九張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月30即當(dāng)入射波發(fā)生全反射時(shí)，反射波中的s分量的位相躍變?yōu)椋?(44) (45) 它們可以理解為反射波和入射波對(duì)應(yīng)分量在界面處的位相躍變。(42) (43) 接下來(lái)討論 和p分量的位相躍變?yōu)椋?s分量和p分量的位相躍變之差為： (46) 反切函數(shù)取主值Fresnel最早設(shè)計(jì)了消色差波片的Fresnel棱鏡，用來(lái)改變?nèi)肷洳ǖ钠駪B(tài)。這項(xiàng)試驗(yàn)的成功，說(shuō)明s分量和p分量的位相躍變之差確實(shí)存

15、在。第三十張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月31|rs|=|rp|=1，發(fā)生全反射。似乎光疏媒質(zhì)中不存在任何折射電磁波；但是當(dāng)把ts、tp的Fresnel公式推廣到復(fù)數(shù)域進(jìn)行計(jì)算，將會(huì)發(fā)現(xiàn)ts、tp都不等于零，亦即光疏媒質(zhì)內(nèi)有折射光波；從右圖7也可直觀看出， ts、tp都不等于零，說(shuō)明光疏媒質(zhì)內(nèi)有折射光波。這個(gè)折射光波有其自身的特殊性質(zhì)，這種性質(zhì)使折射波不能深入地進(jìn)入光疏媒質(zhì)內(nèi)。 接下來(lái)我們進(jìn)行分析。圖7rstp|tp|-|rp|rs|n1/n2 =1.5第三十一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月321、光疏媒質(zhì)內(nèi)的電磁波倏逝波(瞬逝波) xzO(47) 倏逝波或瞬逝波 第三十

16、二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月332、倏逝波的性質(zhì) 仍然是，沒(méi)有改變；說(shuō)明光波的時(shí)間頻率不隨環(huán)境改變。 振幅特點(diǎn)：折射波的振幅隨著z(即隨著波深入光疏媒質(zhì)內(nèi)部)的增大而作指數(shù)衰減，等振幅面與界面平行。 位相位相的空間分布上只與x有關(guān)，所以等相面與x軸垂直，并且沿著x方向傳播，與一維波的位相表達(dá)式類似，這個(gè)波的波長(zhǎng)是： (48) 倏逝波的位相速度是： (49) 是光密媒質(zhì)中入射波的速度。因?yàn)榇嬖趚方向上的分量，所以這個(gè)倏逝光波已經(jīng)不是橫波。第三十三張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月34下面，定量估計(jì)一下倏逝波的衰減情況在n2/n1=1/1.5的情況下，衰減系數(shù)值如右表：定義為振幅的衰減系數(shù) 振幅第二媒質(zhì)中深度z處的波振幅與界面處振幅之比 第三十四張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月35可見(jiàn)，全反射時(shí)的折射波隨著向光疏媒質(zhì)深入而很快減弱，這也是倏逝波或瞬逝波命名的原因，因而這種波有的參考書上稱為衰逝波。倏逝波在入射波剛剛達(dá)到界面之初需要花一定的能量以建立倏逝波電磁場(chǎng)外，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，不需要再向它提供能量，倏逝波只沿著界面處傳播，不進(jìn)入第二媒質(zhì)內(nèi)部。因而全反射時(shí)Rs=1、ts0和Rp=1、tp0并不違反能量守恒定律。 這種折射波在n2介質(zhì)內(nèi)離開界面波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的