光的电磁理论.ppt

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研究单色平面波入射至两介质表面时的研究单色平面波入射至两介质表面时的传播方向、振幅、传播方向、振幅、相位、能量及偏振性相位、能量及偏振性的变化。

的变化。

一、电磁场的连续条件一、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（理性质（n、）不同，电磁场在界面上是不连续的。

但）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。

分界面上的电磁场量具有一定的关系。

11-211-2光在电介质分界面上的反射和折射光在电介质分界面上的反射和折射电磁场的电磁场的连续条件连续条件是：

在没有传导电流和自由电荷的介质是：

在没有传导电流和自由电荷的介质中，中，磁感强度磁感强度B和电感强度和电感强度D的法向分量的法向分量在界面上连续；而在界面上连续；而电场强度电场强度E和磁场强度和磁场强度H的切向分量的切向分量在界面上连续。

即：

在界面上连续。

即：

1二、光在两电介质分界面上的反射和折射二、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。

光波射到两不同介质的分界面时，分为透射波和反射波。

取取XOZ平面为入射面，将这个平面内的振动分量称为平面为入射面，将这个平面内的振动分量称为平行平行分量，用分量，用p表示；表示；而与此垂直的平面内的振动分量称为而与此垂直的平面内的振动分量称为垂垂直分量，用直分量，用s表示。

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：

电场，在第一介质中，有：

在第二介质中：

在第二介质中：

2因此有：

因此有：

为使其在界面上（为使其在界面上（z=0）任一点都成立，须有：

）任一点都成立，须有：

反射定律设两介质内的光速为设两介质内的光速为v1和和v2则：

则：

折射定律3三、菲涅耳公式及其讨论三、菲涅耳公式及其讨论

（一）

（一）菲涅耳公式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射波的振幅和位相关系的菲涅耳公式。

菲涅耳公式。

（11）SS波（垂直于入射面分量）的波（垂直于入射面分量）的菲涅耳公式菲涅耳公式S波振幅反射系数S波振幅透射系数4（22）PP波（平行于入射面分量）的菲涅耳公式波（平行于入射面分量）的菲涅耳公式由连续条件得：

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

（二）反射和透射的振幅关系菲涅耳公式直接给出了反射波、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折射波与入射波的振幅的相对变化，且随入射角变化，且随入射角11而变。

而变。

511、从光疏介质入射到光密介质（、从光疏介质入射到光密介质（如空气射向玻璃）如空气射向玻璃）当当11=0=0垂直入射，垂直入射，rrss、rrpp、ttss和和ttpp都不等于都不等于00，表明存在，表明存在反射波和折射波。

反射波和折射波。

当当=90=90掠入射时掠入射时此时没有折射波。

此时没有折射波。

随随11的增大而减小的增大而减小随随11的增大而增大，的增大而增大，直到等于直到等于11值在值在时，时，有有=0=0，即反射光波中，即反射光波中没有没有pp波，只有波，只有ss波，产生波，产生全偏振现象全偏振现象。

622、光从光密介质入射到光疏介质（、光从光密介质入射到光疏介质（n1nnn22和和nn11nn22两种情况，并注意两种情况，并注意时时的的不同。

不同。

8

（1）当光从光疏介质射到光密介质时（）当光从光疏介质射到光密介质时（n1n2）对对所有的所有的11都是负值，表明反射时都是负值，表明反射时ss波在界面上发生波在界面上发生了了的位相变化。

的位相变化。

当当时为正值，表明其相位变化为时为正值，表明其相位变化为0。

当当时为负值，表明在界面上，反射光的时为负值，表明在界面上，反射光的p波波有有相位变化。

相位变化。

当当时为零，表明反射光中没有平行于入射时为零，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，即发生全偏振面的振动，而只有垂直于入射面的振动，即发生全偏振现象。

现象。

9

（2）当光从光密介质射到光疏介质时（）当光从光密介质射到光疏介质时（n1n2）当当入射角入射角时，位相改变既不是零也不是时，位相改变既不是零也不是，而是随，而是随入射角有一个缓慢的变化，发生了全反射。

入射角有一个缓慢的变化，发生了全反射。

当当入射角入射角时，时，ss波和波和pp波的相位变化情况与波的相位变化情况与时得到的结果相反，并且也有时得到的结果相反，并且也有时产生全偏振现象。

时产生全偏振现象。

10结论：

当平面波在接近正入射或掠入射下从结论：

当平面波在接近正入射或掠入射下从光疏介质与光疏介质与光密介质的光密介质的分界面反射时，反射光的电矢量相对于入射分界面反射时，反射光的电矢量相对于入射光的电矢量产生了光的电矢量产生了的相位突变（半波损失：

反射时损的相位突变（半波损失：

反射时损失了半个波长）。

失了半个波长）。

这一结论在讨论光的干涉现象时极为重要。

这一结论在讨论光的干涉现象时极为重要。

如果光波是从如果光波是从光密介质入射到光疏介质光密介质入射到光疏介质，在正入射时反，在正入射时反射波的电矢量没有射波的电矢量没有的相位突变，掠入射时发生全反射的相位突变，掠入射时发生全反射现象。

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。

对于折射波，不论哪一种情况，电矢量都不发生位相突变。

1112（四）反射比和透射比四）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光强分别为通过此面积的光能为通过此面积的光能为入射波入射波反射波反射波透射波透射波反射比透射比13当当不考虑介质的吸收和散射时，根据能量守恒关系不考虑介质的吸收和散射时，根据能量守恒关系PP波和波和ss波的反射比和透射比表示式为：

波的反射比和透射比表示式为：

同样满足能量守恒定律，有：

同样满足能量守恒定律，有：

影响反射比和透射比的因素，除了影响反射比和透射比的因素，除了界面两边介质的特性界面两边介质的特性外，还须考虑外，还须考虑入射波的偏振性和入射角的因素入射波的偏振性和入射角的因素。

14当当入射波电矢量取任意方位角入射波电矢量取任意方位角时，时，若若入射光为自然光，其反射比为：

入射光为自然光，其反射比为：

自然光在自然光在的区域内反射率几乎不变，约等于正入的区域内反射率几乎不变，约等于正入射的值。

正入射时，射的值。

正入射时，在空气在空气玻璃（玻璃（n=1.52n=1.52）界面反射的情况，界面反射的情况，约约4%4%的光能量被反射。

的光能量被反射。

15对于构造复杂的光学系统，即使接近于正入射下入对于构造复杂的光学系统，即使接近于正入射下入射，由于反射面过多，光能量的损失也很严重。

若包含射，由于反射面过多，光能量的损失也很严重。

若包含66块透镜系统，反射面块透镜系统，反射面1212面，若面，若n=1.52n=1.52，光在各面入射光在各面入射角很小，透过这一系统的光能量为：

角很小，透过这一系统的光能量为：

WW11为入射光能量，由于反射而损失的能量占为入射光能量，由于反射而损失的能量占41%41%。

为为减少光能量损失，近代光学技术普遍采用在光学元减少光能量损失，近代光学技术普遍采用在光学元件表面镀增透膜。

件表面镀增透膜。

16一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。

等幅的、不相干的线偏振光。

（五）反射和折射时的偏振关系（五）反射和折射时的偏振关系将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一完全移去得到将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一完全移去得到的光，称为完全偏振光的光，称为完全偏振光，也可称为线偏振光或平面偏振光。

，也可称为线偏振光或平面偏振光。

部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它垂直的方向上振动较弱。

它垂直的方向上振动较弱。

它介于自然光与线偏振光之间。

它介于自然光与线偏振光之间。

没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解17定义：

在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿某一个固定义：

在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿某一个固定方向振动，则称为线偏振光，又称为平面偏振光或完全定方向振动，则称为线偏振光，又称为平面偏振光或完全偏振光。

偏振光。

线偏振光也可以用线偏振光也可以用传播方向相同、相位相同或相差传播方向相同、相位相同或相差、振动、振动相互垂直的两列光波的叠加相互垂直的两列光波的叠加描述。

描述。

EEyExyx部部分分偏偏振振光光的的分分解解部分偏振光部分偏振光部分偏振光可分解为部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。

的、不相干的线偏振光。

18当当入射光是自然光，如果入射角满足入射光是自然光，如果入射角满足反射光中没有反射光中没有PP波，只有垂直于入射面振动的波，只有垂直于入射面振动的SS波，发生全波，发生全偏振现象，反射光是偏振光。

称这时的入射角为布儒斯特偏振现象，反射光是偏振光。

称这时的入射角为布儒斯特角，记作角，记作此时折射光线中含有全部此时折射光线中含有全部PP波和部分波和部分SS波，是一个波，是一个PP波占波占优势的部分偏振光。

优势的部分偏振光。

当自然光以其它角度入射时，反射光一般是当自然光以其它角度入射时，反射光一般是SS波占优势波占优势的部分偏振光，而透射光一般是的部分偏振光，而透射光一般是PP波占优势的部分偏振光。

波占优势的部分偏振光。

19四、全反射四、全反射光波从光密介质射向光疏介质，光波从光密介质射向光疏介质，增大入射角到某一角度，此时，没有折射光存在，界面增大入射角到某一角度，此时，没有折射光存在，界面上所有光都返回介质上所有光都返回介质11，这种现象称为，这种现象称为全反射全反射。

当当入射角为入射角为折射角为折射角为9090，此时的入射角称为，此时的入射角称为临界角临界角。

若入射角大于临界角，则找不到任何折射角可符合折射定若入射角大于临界角，则找不到任何折射角可符合折射定律律，这时光线将依照反射定律全部反射回原介质。

这时光线将依照反射定律全部反射回原介质。

20光从光从水中发出，以水中发出，以不同的入射角射向不同的入射角射向空气，所产生的折空气，所产生的折射和全反射的情形射和全反射的情形。

（一）反射比一）反射比在全反射区间，在全反射区间，所有光线全部返回介质一，光在界面上发生全反射时不所有光线全部返回介质一，光在界面上发生全反射时不损失能量。

损失能量。

入射角从布儒斯特角变化到临界角时，反射率在临界角入射角从布儒斯特角变化到临界角时，反射率在临界角附近发生急剧变化附近发生急剧变化,从从00很快趋于很快趋于11，这种变化在两介质，这种变化在两介质折射率相差大时更为明显。

可利用临界角高精度对焦。

折射率相差大时更为明显。

可利用临界角高精度对焦。

2122

（二）相位变化二）相位变化表明：

在全反射条件下，表明：

在全反射条件下，s、p波在界面上有不同的相位波在界面上有不同的相位变化，其相位差为：

变化，其相位差为：

当入射角为临界角或当入射角为临界角或9090时，两分量的位相差为时，两分量的位相差为00；若入射角大于临界角，且入射线偏振光的振动方向与入若入射角大于临界角，且入射线偏振光的振动方向与入射面的交角射面的交角不等于不等于00或或9090时，相位差不等于时，相位差不等于00或或，反，反射光也为线偏振光。

射光也为线偏振光。

S波的相位变化p波的相