第1章 光在各向同性介质中的传输特性.pptVIP

这说明反射光为偏振光，但反射光强很小。对于透射光，因Irp=0，有Itp=Iip。又由于入射光是自然光，有Iip=0.5Ii，因而Itp=0.5Ii。进一步，因为 所以透射光的偏振度为 因此，透射光的光强很大(It=0.925Ii)， 但偏振度很小。 由上所述可以看出，要想通过单次反射的方法获得强反射的线偏振光、高偏振度的透射光是很困难的。 在实际应用中， 经常采用“片堆”达到上述目的。 “片堆”是由一组平行平面玻璃片(或其它透明的薄片，如石英片等)叠在一起构成的， 如图1-33所示，将这些玻璃片放在圆筒内，使其表面法线与圆筒轴构成布儒斯特角(θB)。 当自然光沿圆筒轴(以布儒斯特角)入射并通过“片堆”时，因透过“片堆”的折射光连续不断地以相同的状态入射和折射，每通过一次界面，都从折射光中反射掉一部分垂直纸面振动的分量，最后使通过“片堆”的透射光接近为一个平行于入射面的线偏振光。 图 1-33 用片堆产生偏振光 在激光技术中，外腔式气体激光器放电管的布儒斯特窗口， 就是上述“片堆”的实际应用。如图1-34所示，当平行入射面振动的光分量通过窗片时，没有反射损失，因而这种光分量在激光器中可以起振，形成激光。而垂直纸面振动的光分量通过窗片时，将产生高达15%的反射损耗，不可能形成激光。由于在激光产生的过程中，光在腔内往返运行，类似于光通过片堆的情况，所以输出的激光将是在平行于激光管轴和窗片法线组成的平面内振动的线偏振光。 图 1-34 外腔式气体激光器 2) 线偏振光反射的振动面旋转 一束线偏振光入射至界面，由于垂直分量和平行分量的振幅反射系数不同，相对入射光而言，反射光的振动面将发生旋转。例如，一束入射的线偏振光振动方位角αi=45°，则其平行分量和垂直分量相等，即 。若如图1-35所示，该光的入射角θ1=40°，则s分量和p分量的振幅反射系数分别为rs=-0.2845，rp=0.124 5，反射光中二分量的振幅分别为 因此，反射光的振动方位角为 相对入射光而言，振动面远离入射面。  对于折射光，由于其s分量和p分量均无相位突变，且 ，所以αt＜45°，即折射光的振动面转向入射面。 将所得到的表示式(及相应的其它形式——读者可以自己证明)写成一个方程组， 就是著名的菲涅耳公式： (1-136) (1-137) (1-138) (1-139) 于是，如果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，进而可由上面的菲涅耳公式求出反射系数和透射系数。图1-24绘出了在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，反射系数、 透射系数随入射角θ1的变化曲线。 图 1-24 rs、rp、ts、tp随入射角θ1变化曲线 1.2.3 反射率和透射率 菲涅耳公式给出了入射光、反射光和折射光之间的场振幅和相位关系(有关相位关系在后面还将深入讨论)，现在，进一步讨论反映它们之间能量关系的反射率和透射率。在讨论过程中，不计吸收、散射等能量损耗，因此，入射光能量在反射光和折射光中重新分配，而总能量保持不变。  如图1-25所示，若有一个平面光波以入射角θ1斜入射介质分界面，平面光波的强度为Ii，则每秒入射到界面上单位面积的能量为 Wi=Ii cosθ1 考虑到光强表示式(1-17), 上式可写成 (1-140) 类似地，反射光和折射光的能量表示式为 (1-141) (1-142) 由此可以得到反射率、 透射率分别为 (1-143) (1-144) 将菲涅耳公式代入，即可得到入射光中s分量和p分量的反射率和透射率的表示式分别为 (1-145) (1-146) (1-147) (1-148) 由上述关系式，显然有 图 1-26 R随入射角θ1的变化关系 综上所述，光在界面上的反射、透射特性由三个因素决定：入射光的偏振态，入射角，界面两侧介质的折射率。 图1-26给出了按光学玻璃(n=1.52)和空气界面计算得到的反射率R随入射角θ1变化的关系曲线，可以看出：  ① 一般情况下，Rs≠Rp，即反射率与偏振状态有关。在小角度(正入射)和大角度(掠入射)情况下，Rs≈Rp。在正入射时， (1- 149) 相应有 (1- 150) 在掠入射(θ1≈90°)时，Rs≈Rp≈1。 当光以某一特定角度θ1=θB入射时，Rs和Rp相差最大，且Rp=0，在反射光中不存在p分量。此时，根据菲涅耳公式有θB+θ2=90°，即该入射角与相应的折射角互为余角