物理光學(xué)-全反射

入射角大于臨界角的光線發(fā)生全反射第一頁第二頁，共22頁。如前所述，光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)(n1>n2)時，產(chǎn)生全反射的臨界角

c滿足下述關(guān)系：當(dāng)

1>

c時，必然會出現(xiàn)sin

1>n2/n1的現(xiàn)象，這顯然是不合理的。1.反射波第二頁第三頁，共22頁。此時，折射定律

n1sin

1=n2sin

2

不再成立。但是，為了能夠?qū)⒎颇綉?yīng)用于全反射的情況，在形式上仍然要利用關(guān)系式1.反射波為此，應(yīng)將cos

2寫成如下的虛數(shù)形式第三頁第四頁，共22頁。將(166)式代入菲涅耳公式，得到復(fù)系數(shù)1.反射波第四頁第五頁，共22頁。1.反射波并且有n=n2/n1是二介質(zhì)的相對折射率；為反射光與入射光的s分量、p分量光場振幅大小之比。

rs

、

rp

為全反射時，反射光中的s分量、p分量光場相對入射光的相位變化。第五頁第六頁，共22頁。由上式可見，發(fā)生全反射時，反射光強等于入射光強,而反射光的相位變化較復(fù)雜，大致規(guī)律如圖所示。1.反射波

1

B0/2

rs

C

1

B0/2

rs

C第六頁第七頁，共22頁。應(yīng)特別指出，在全反射時，反射光中的s分量和p分量的相位變化不同，它們之間的相位差取決于入射角

1和二介質(zhì)的相對折射率n，由下式?jīng)Q定：因此，在n一定的情況下，適當(dāng)?shù)乜刂迫肷浣?/p>

1

，即可改變Δ

，從而改變反射光的偏振狀態(tài)。1.反射波第七頁第八頁，共22頁。例如，圖所示的菲涅耳菱體就是利用這個原理將入射的線偏振光變?yōu)閳A偏振光的。對于圖示之玻璃菱體(n=1.51)，當(dāng)

1=54037

(或48037

)時，有Δ

=450。因此，垂直菱體入射的線偏振光，若其振動方向與入射面的法線成450角，則在菱體內(nèi)上下兩個界而進行兩次全反射后，s分量和p分量的相位差為900，因而輸出光為圓偏振光。1.反射波圓偏振光線偏振光54.3754.37第八頁第九頁，共22頁。下圖畫出了幾種不同

值相應(yīng)的橢圓偏振態(tài)。實際上，線偏振態(tài)和圓偏振態(tài)都是橢圓偏振態(tài)的特殊情況。第九頁第十頁，共22頁。2.衰逝波更深入地研究全反射現(xiàn)象表明：在發(fā)生全反射時，光波場將送入到第二個介質(zhì)很薄的一層內(nèi)（約為光波波長），并沿著界面?zhèn)鞑ヒ欢尉嚯x，再返回第一個介質(zhì)。這個透入到第二個介質(zhì)中表面層內(nèi)的波叫衰逝波（疏逝波）。當(dāng)光由光密介質(zhì)射向光琉介質(zhì)，并在界而上發(fā)生全反射時，透射光強為零。那么，在光疏介質(zhì)中有無光場呢？第十頁第十一頁，共22頁。2.衰逝波現(xiàn)假設(shè)介質(zhì)界面為

xOy平面，入射面為

xOz平面，則在一般情況下可將透射波場表示為考慮到(166)式后，上式可改寫為第十一頁第十二頁，共22頁。2.衰逝波這是一個沿著

z方向振幅衰減，沿著界面

x方向傳播的非均勻波，也就是全反射時的衰逝波。第十二頁第十三頁，共22頁。由此可以說明，在前面的討論中，只有cos

2取虛數(shù)形式，(166)式取正號。才可以得到這個客觀上存在的衰逝波。2.衰逝波第十三頁第十四頁，共22頁。沿

x方向傳播的速度為式中，

、

分別為光在第一個介質(zhì)中的波長和速度。由(172)式可見，衰逝波沿

x方向的傳播常數(shù)為

，因此，它沿

x方向傳播的波長為2.衰逝波第十四頁第十五頁，共22頁。定義衰逝波沿z方向衰減到表面強度1/e處的深度為衰逝波在第二個介質(zhì)中的穿透深度。穿透深度z0很容易由2.衰逝波例如，n1=1.52，n2=1，

1=450時，z0=0.4

。因此，衰逝波的穿透深度為波長的量級。第十五頁第十六頁，共22頁。發(fā)生全反射時，光由第一個介質(zhì)進入第二個介質(zhì)的能量入口處和返回能量的出口處，相隔約半個波長，即如圖所示，存在一個橫向位移，此位移通常稱為古斯一哈思斯位移。2.衰逝波n1n2<n1x衰減波第十六頁第十七頁，共22頁。在光電子技術(shù)中，光纖通信和光纖傳感是非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，而在光纖中的傳光原理，正是基于全反射現(xiàn)象。1）光纖傳光原理n0n1n2

3．全反射現(xiàn)象應(yīng)用舉例第十七頁第十八頁，共22頁。光纖是如圖所示的圓柱形光波導(dǎo)，由折射率為n1的纖芯和折射率為n2的包層組成，且有n1>n2。當(dāng)光線在子午面內(nèi)由光纖端面進入光纖纖芯，并以入射角

射到纖芯和包層界面上時，如果入射角

大于臨界角

c，將全反射回到纖芯中，直至從另一端折射輸出。1）光纖傳光原理n0n1n2

第十八頁第十九頁，共22頁。根據(jù)全反射的要求，對于光纖端面上光線的入射角

，存在一個最大角

M，它可根據(jù)全反射條件，由臨界角關(guān)系求出：當(dāng)

>

M時，光線將透過界面進入包層，并向周圍空間產(chǎn)生輻射損耗，因此光纖不能有效地傳遞光能。1）光纖傳光原理第十九頁第二十頁，共22頁。通常將

n0sin

M

稱為光纖的數(shù)值