工程光学11-2光的电磁理论.ppt

* * 研究单色平面波入射至两介质表面时的传播方向、振幅、相位、能量及偏振性的变化。 一、电磁场的连续条件 当电磁波由一种介质传播到另一种介质时，由于介质的物理性质（n、ε、μ）不同，电磁场在界面上是不连续的。但分界面上的电磁场量具有一定的关系。 §11-2 光在电介质分界面上的反射和折射 电磁场的连续条件是：在没有传导电流和自由电荷的介质中，磁感强度B和电感强度D的法向分量在界面上连续；而电场强度E和磁场强度H的切向分量在界面上连续。即： 二、光在两电介质分界面上的反射和折射 光波射到两不同介质的分界面时，分为透射波和反射波。 取XOZ平面为入射面，将这个平面内的振动分量称为平行分量，用p表示；而与此垂直的平面内的振动分量称为垂直分量，用s表示。 根据边界条件，电场和磁场矢量的切向分量保持连续。对电场，在第一介质中，有： 在第二介质中： 因此有： 为使其在界面上（z=0）任一点都成立，须有： 反射定律 设两介质内的光速为v1和v2则： 折射定律 三、菲涅耳公式及其讨论 （一）菲涅耳公式 利用电磁场的连续条件可以导出表示反射波、折射波与入射波的振幅和位相关系的菲涅耳公式。 （1）S波（垂直于入射面分量）的菲涅耳公式 S波振幅反射系数 S波振幅透射系数 （2）P波（平行于入射面分量）的菲涅耳公式 由连续条件得： p波振幅反射系数 p波振幅透射系数 （二）反射和透射的振幅关系 菲涅耳公式直接给出了反射波、折射波与入射波的振幅的相对变化，且随入射角θ1而变。 1、从光疏介质入射到光密介质（如空气射向玻璃） 当θ1=0垂直入射，rs、rp、 ts和tp都不等于0，表明存在反射波和折射波。 当θ=90°掠入射时 此时没有折射波。 随θ1的增大而减小 随θ1的增大而增大， 直到等于1 值在 时， 有 =0，即反射光波中 没有p波，只有s波，产生 全偏振现象。 2、光从光密介质入射到光疏介质（n1时） 当 时，即垂直入射时， 都不为零，表示存在反射波和折射波。 当 （ θc为θ2=900时对应的θ1）时， 表示发生全反射现象， 有 都大于1，且随θ1的增大而增大 （三）相位变化 随着θ1的变化只会出现正值或负值的情况，表明所考虑的两个场同相位（振幅比取正值），或者反相位（振幅比取负值），相应的相位变化为零或是π 1、对于折射波， 都是正值，表明折射波和入射波的相位总是相同，其s波和p波的取向与规定的正向一致，光波通过界面时，折射波不发生相位改变。 2、对于反射波 应区分n1n2和n1n2两种情况，并注意 时的不同。 （1）当光从光疏介质射到光密介质时（n1n2) 对所有的θ1都是负值，表明反射时s波在界面上发生了 的位相变化。 当 时为正值，表明其相位变化为0。 当 时为负值，表明在界面上，反射光的p波有 相位变化。 当 时为零，表明反射光中没有平行于入射面的振动，而只有垂直于入射面的振动，即发生全偏振现象。 （2）当光从光密介质射到光疏介质时（n1n2) 当入射角 时，位相改变既不是零也不是 ，而是随入射角有一个缓慢的变化，发生了全反射。 当入射角 时， s波和p波的相位变化情况与 时得到的结果相反，并且也有 时产生全偏振现象。 结论：当平面波在接近正入射或掠入射下从光疏介质与光密介质的分界面反射时，反射光的电矢量相对于入射光的电矢量产生了 的相位突变（半波损失：反射时损失了半个波长）。 这一结论在讨论光的干涉现象时极为重要。 如果光波是从光密介质入射到光疏介质，在正入射时反射波的电矢量没有 的相位突变，掠入射时发生全反射现象。 对于折射波，不论哪一种情况，电矢量都不发生位相突变。 （四）反射比和透射比 表示反射波、折射波与入射波的能量关系 考虑界面上一单位面积，设入射波、反射波和折射波的光强分别为 通过此面积的光能为 入射波 反射波 透射波 反射比 透射比 当不考虑介质的吸收和散射时，根据能量守恒关系 P波和s波的反射比和透射比表示式为： 同样满足能量守恒定律，有： 影响反射比和透射比的因素，除了界面两边介质的特性外，还须考虑入射波的偏振性和入射角的因素。 当入射波电矢量取任意方位角α时， 若入射光为自然光，其反射比为： 自然光在 的区域内反射率几乎不变，约等于正入射的值。正入射时， 在空气——玻璃（n=1.52）界面反射的情况，