光的电磁理论第二部分.pptVIP

物理光学 光电信息学院 1.4 光波在界面的反射和折射 当光波由一种媒质投射到与另一种媒质的交界面时，将发生反射和折射（透射）现象。根据麦克斯韦方程组和边界条件讨论光在介质界面的上的反射和折射。反射波、透射波与入射波传播方向之间的关系由反射定律和折射定律描述，而反射波、透射波与入射波之间的振幅和相位关系由菲涅耳 Fresnel 公式描述。 1.4.1 反射定律、折射定律 1.4.2 菲涅耳公式 反射、折射与入射波之间的振幅和相位关系与入射波的振动方向有关 将光矢量分解为垂直于入射面的s 分量和平行于入射面的 p分量 菲涅耳公式就是确定这两个振动分量反射、折射特性的定量关系式 由上四式可知 该式表明 r 和 t 不是独立的，已知其中之一，可由该式求出另一个量。 由菲涅耳公式可绘出在n1＜n2 光由光疏介质射向光密介质 和n1＞n2 光由光密介质射向光疏介质 两种情况下的确 r,t - ?1 曲线。 根据rs和rp的正负可得其相位特性，如图所示。 1. 小角度入射 2. 掠入射 Question 1.通过什么方法研究光在界面上的反射和折射？ 2. 反射光、透射光与入射光之间的角频率、波矢之间满足什么关系？反射定律和折射定律是通过什么关系推导得到的？ 3. 通过什么方法研究光矢量反射光、透射光与入射光的振幅、相位关系？ 4.光矢量的S分量和P分量的方向？ 5.光矢量反射光、透射光与入射光的振幅、相位关系可以用什么公式获得？ 6.光正入射或掠入射时反射光和透射光相位如何变化？ 人物传记－菲涅耳 菲涅耳，Augustin-Jean Fresnel 1788～1827 法国物理学家。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,以后在法国政府一些部 当 工程师,一直到1827年 7月14日在阿夫赖城逝世。他的 科学研究是在业余时间和艰苦的条件下进行的，这花费 了 他有限的收入并损害了他的健康 。 菲涅耳的科学成就主要有两方面。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以他们的姓氏命名的惠更斯－菲涅耳原理。他的实验具有很强的直观性、明锐性，很多现仍通行的实验和光学元件都冠有菲涅耳的姓氏,如:双面镜干涉、波带片、菲涅耳透镜、圆孔衍射等。另一方面是偏振：他与阿□戈一起研究了偏振光的干涉，肯定了光是横波 1821 ；他发现了圆偏振光和椭圆偏振光 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；解释了反射光偏振现象和双折射现象，从而建立了晶体光学的基础。 1.4.3 反射率和透射率 设单位时间投射到界面上单位面积的能量为Wi，反、透射光的能量分别为Wr、Wt，不计吸收散射等能量损耗，则反射率、透射率定义为 设入射光波的电矢量与入射面的夹角为? 1. 一般情况下其反射光和透射光也为线偏振光，只是振动角度发生变化 Question 1. 能流反射率与振幅反射率，能流透射率与振幅透射率的关系？ 2. 随着入射角增加，Rs和Rp是如何变化的？ 3. 全反射角的定义？ 4. 布儒斯特角的定义？ 5.能否讲一讲激光器中如何利用布儒斯特窗获得线偏振光？ 6.入射光为线偏振光，在没有全反射时其反射光、透射光偏振态如何变化？ 1. 一般情况下由于 、 ，其反射光和透射光为椭圆偏振光，其旋向由rp和rs的符号决定。 2. 正入射时，反射光为旋向相反的圆偏振光。 3.θi θB ，Rp 0, 反射光为线偏振光。 1.4.4 全反射与隐失波 Question 1.圆偏振光正入射时，反射光偏振态如何改变，为什么？ 2.自然光正入射时，反射光偏振态如何改变，为什么？一般情况下自然光反射光和透射光偏振态如何改变，为什么？ 3.为什么全反射时会引入相位变化，全反射时偏振态是否会变化？ 4.全反射时介质2中是否存在电磁场，如果存在为什么形式的电磁场？ 5.倏逝波的穿透深度怎么定义的？ 6.倏逝波的存在和能量守恒定理矛盾吗，为什么？ 1.5 光波场的频率谱 普通光源，原子发出的光波是由一段段有限长的称为波列的光波组成的；每一段波列，其振幅在持续时间内保持不变或缓慢变化，前后各段之间没有固定的相位关系，甚至光矢量的振动方向也不同。 单－频率的时谐均匀平面波也称为单色均匀平面波。可作为构成实际光波场的基本单元。 严格的单色平面光波在时间和空间上都无限扩展，实际上是不存在的。 时间上有限制、空间上有限制的实际光波，根据傅里叶变换，可以表示为不同频率的单色波的叠加。 1.5.1 光波的时间频谱 若只考虑光波场在时间域内的变化，把光矢量表示为的时间函数E t ,根据傅里叶变换， 1.无限长时间的等振幅光波 其功率谱为 只含有单一的