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PH116-10介质表面光学详解.pptx

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介质界面光学作业:6-5,7,9,11,14,18,1、界面反射和折射时的传播规律—菲涅耳公式光波遇到两种材料分界面时,将发生反射和折射。作为一种横波,光波带有振幅、偏振、频率、相位和传播方向和结构等诸多特性。全面考察光在界面反射折射时的传播规律,应包括传播方向、能流分配、相位变更和偏振态变化等几个方面的内容。StructuredLightMeetsStructuredMatter菲涅耳Augustin-JeanFresnel1788-1827菲涅耳的科学成就主要有两个方面。一是衍射。他以惠更斯原理和干涉原理为基础,用新的定量形式建立了惠更斯--菲涅耳原理,完善了光的衍射理论。另一成就是偏振。他与D.F.J.阿拉果一起研究了偏振光的干涉,确定了光是横波(1821);他发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象(1823),用波动说解释了偏振面的旋转;他推出了反射定律和折射定律的定量规律,即菲涅耳公式;解释了马吕斯的反射光偏振现象和双折射现象,奠定了晶体光学的基础。菲涅耳是法国物理学家和铁路工程师。1788年5月10日生于布罗利耶,1806年毕业于巴黎工艺学院,1809年又毕业于巴黎桥梁与公路学校。1823年当选为法国科学院院士,1825年被选为英国皇家学会会员。1827年7月14日因肺病医治无效而逝世,终年仅39岁。菲涅耳麦克斯韦方程组积分形式微分形式介质方程各向同性线性介质介质以速度v运动如果有任何非静电力两种不同介质的分界面上,两部分介质的、、不同相应地有三组边界条件--电介质界面上,D法向连续,E切向连续以上设界面上没有自由电荷和无传导电流电磁场边值关系(边界条件)由麦克斯韦积分方程给出,其反映了电磁场在两种介质分界面处的突变的规律。边界条件磁介质界面上,B法向连续,H切向连续电位移矢量法线分量连续电场强度矢量切线分量连续磁感应强度矢量法线分量连续磁场强度切线分量连续在绝缘介质界面,无自由电荷和传导电流光是电磁波,在界面处的入射光、反射光和折射光的复振幅矢量满足边值关系。由边值关系可以推导出菲涅耳公式。特征振动方向和局部坐标架图显示了界面反射和折射时的电场矢量和光传播方向的空间取向,它是正确理解菲涅耳公式的一个基本图象。入(反、折)射光与界面法线构成一个平面,偏振方向在该平面内称为p分量,垂直该平面称为s分量。p和s为特征振动方向。特征振动方向和局部坐标架可以构成一个局部的坐标架,我们约定:为什么选择p和s为特征振动方向?思考题:利用边界条件证明上面的结论。在光波遇到界面发生反射和折射的物理过程中,p振动与s振动是两个特征振动。如果入射光的电矢量只有p振动,则反射光和折射光中也只有p振动;如果入射光的电矢量只有s振动,则反射光和折射光中也只有s振动。换句话说,p振动与s振动之间互不交混,彼此独立,各有自己不同的传播特性。E2yE2zE2xZxE1xE1zE1yE’1xE’1zE’1yi1i2菲涅耳公式电位移矢量法线分量连续电场强度矢量切线分量连续E1pE’1pE2pE2sE1sE’1s求解得:也可以形象地用作图说明:边界关系要求:电场矢量不垂直于光传播方向。同理可证明p偏振入射光的反射折射光只能是p偏振。入射光为s偏振E1p=0E’1p=E2p=0,即反射光和折射光仅为s偏振。菲涅耳公式在光频段,高频率条件下,介质的磁化机制几乎冻结,故磁导率1,于是介质光学折射率附加磁场边界条件,可以推得菲涅耳公式成立条件:适用于绝缘介质,无表面自由电荷和传导电流。适用于各向同性介质。适用于光学线性介质(弱光强),满足D=0E适用于平面波在光频段,频率高,介质的磁化机制几乎冻结,磁导率1,于是介质光学折射率2、反射率和透射率复振幅反射率和透射率,光强反射率和透射率,光功率反射率和透射率,布儒斯特角,玻片组透射光的偏振度,相位关系和半波损斯托克斯倒逆关系复振幅反射率和透射率由菲涅耳公式推导出复振幅反射率和透射率,它们包含了实振幅比值和相位差值:例题2导出正入射时的复振幅反射率和透射率。令i1=i2=0代入复振幅反射率和透射率公式,得空气—玻璃界面,n1=1,n2=1.5对P光,若rp0,正入射时表示反射光振动方向与入射方向相反,即反射光位相不变。对S光,若rs0,正入射时表示反射光振动方向与入射方向相反,即反射光位相变化180度所以,结果是统一的。空气—玻璃界面,n1=1,n2=1.5当n1=1,n2=1.5:当n1=1.5,n2=1:问题:当n1n2时,tp=ts1,是否违背光能流守恒? 关于这个问题我们引进光强反射率和透射率,及光功率反射率和透射率光强反射率和透射率光强I=nE02,光强反射率和透射率:例题:一束光以60°的入射角入射,其光强反射率和透射率?(n1=1,n2=1.5)注意:对于斜入射的光原因是:光强I是光功

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