浅析光在介质表面反射时的半波损失毕业设计论文.docx

1、浅析光在介质表面反射时的半波损失毕业设计论文学年 题 目：浅析光在介质表面反射时的半波损失 姓 名： 学 号： 院 系： 物理与机电工程学院 专 业： 物理学 年级班级： 指导教师： 2015年6月20日学年论文（设计）作者声明本人郑重声明：所呈交的学年论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描等方式进行保存、摘编或汇编；同意本论文

2、被编入有关数据库进行检索和查阅。本毕业论文内容不涉及国家机密。论文题目：作者单位：作者签名： 年 月 日 目 录 摘要 1引言 11.半波损失定义 12. 菲涅尔公式对半波损失的解释 22.1 菲涅尔公式 22.2 由菲涅尔公式分析入射光与反射光和透射光的变化关系 33. 劳埃德镜实验分析 53.1 劳埃德实验 53.2 劳埃德镜实验条件 53.3 实验分析 64. 维纳驻波实验分析 74.1 维纳驻波实验 75. 对半波损失的诠释 86. 结束语 9参考文献 9浅析光在介质表面反射时的半波损失摘 要：以菲涅尔公式为基础并结合劳埃德镜实验和维纳驻波实验的结论分析，分别通过电磁矢量以及光强的比较

3、来分析光在介质表面反射的半波损失现象。关键词：菲涅尔公式；劳埃德镜实验；维纳驻波实验；电磁矢量；半波损失The light in The Medium Surface Reflection of Shallow Half Wave LossAbstract: The Fresnel formula based combined with Loyds mirror experiment and the Wiener standing wave experiment results analysis, respectively through the electromagnetic vector

4、and intensity compared to analyze light reflected from the surface of the medium, the half wave loss phenomenon.Keywords: Finel formula；Lloyd mirror experiment；Wiener standing wave experiment；Electromagnetic vector；Half wave loss引言在平时常用的大学生光学教材中1,对于光在介质的分界面上传播时,反射光是否出现半波损失现象,通常描述为“光从光疏介质入射到光密介质时,反射光

5、的相位较之入射光的相位跃变了,即产生了半波损失”。教材中并没有针对其入射角以及光强变化所带来的现象进行具体分析，因此提高了学生对半波损失的学习难度。本文以菲涅尔公式为基础，分别讨论劳埃德镜实验结果中的光强变化分析相位突变以及比较维纳驻波实验中电磁矢量，分析半波损失产生的条件并与实验结果比较从而得出结论。1. 半波损失定义根据光的波动性可以将其划分为电磁波，我们可以将入射波、反射波和折射波的电矢量分成两个分量，其中有一个平行于入射面的另一个侧垂直于入射面，H垂直于入射面向外,对入射、反射以及折射光线,分别用H1S、H1S、H2S表示,则E平行于入射面,分别用字符E1P、E1P、E2P表示,方向如

6、图b所示,其中:x、y平面为两种媒质(折射率分别为n1和n2)的分界面;i为入(反)射角;为折射角,满足折射定律:n1sin i1= n2sin i2 a . 三维图像 b.二维图像图1 光波在介质表面的反射现象由光的电矢量分解来分析半波损失可得到的大致表述为“在某些情况下，界面上反射波的E矢量相对于人射波的E矢量可以发生方向反转，这种方向反转相当于产生了相位突。或者光程突变/2，习惯上常称为半波损失2； “由于反射和折射所带来的E振动方向变化.其等效的相位或光程变化常称为附加相差或附加程差”，即在两图中入射波与反射波的E1P与E2P方向反转，相当于有半个波长的突变因而称之为半波损失。2. 菲

7、涅尔公式对半波损失的解释2.1 菲涅尔公式利用电磁波理论中E、H的关系和E、H在界面处的连续性条件,可得电场各分量满足的关系式如下。若H垂直于入射面向外,对入射、反射和折射光线,分别用H1S、H1S、H2S表示,则E平行于入射面,分别用E1P、E1P、E2P表示: (1) (2) (3) (4)此为菲涅尔公式。其中折射率n=,v=,故n=r。可以从上看出,反射和折射光的振动方向不单单与界面两侧介质的折射率有关,还与光的入射方向有关。需要在此说明的是,菲涅尔公式中各分量的方向规定是建立在E、H和光传播方向可以按照右手螺旋定则进行方向的确定3。若计算结果为正，则相应分量与规定方向相同,反之则方向相

8、反。不能单单将其与入射光相应分量的符号关系和相位关系直接的联系在一起4。2.2 由菲涅尔公式分析入射光与反射光和透射光的变化关系根据菲涅尔公式通过简单的Fortran程序计,对n1=1.0,n2=1.5和n1=1.5,n2=1.0两种情形进行计算,得到反射和透射系数随入射角度的变化曲线如图2所示。 图2反射系数与透射系数随入射角度变化曲线根据菲涅尔公式针对入射光进行讨论分析折射光线中垂直振动与平行振动的方向均与规定方好相同。由图3可以分析得到,针对于一般的斜入射状况与入射光相比,垂直振动方向不改变但是发生变化的尾平行振动方向因而合成振动方向相对于入射光振动方向发生了变化,但并非反相5。垂直入射

9、(图3b)时,垂直振动方向与平行振动方向没有发生改变且TS=TP=,因此折射光和入射光的振动方向是完全一致的。掠入射时TS=TP=0,无折射光出现。对反射光线,由图2a可见:RS0;当i0,而iib时,RP0。其中ib为布儒斯特角, =。垂直入射时,RS0,即相对于入射光而言,反射光的垂直振动和平行振动均改变方向,如图4a所示,由于反射光的传播方向与入射光相反,所以考虑到E、H和传播方向间的右旋关系,Eip变为向左为正。由(1)(3)式可知,RP=RS=1,故光振动方向发生反转,即发生了半波损失。假设出现掠入射的情况,i,rS0,rP0,RP=RS=1,如图4b所示,故光振动方向亦发生翻转,即

10、出现了半波损失6。对于一般入射的状况，图1所示，对于折射光的讨论分析即使其垂直振动方向相反或者是相同，但是由于平行振动方向不会与入射光的平行振动方向相反或者是相同状况出现，因此在此讨论一般入射状况对于半波损失是没有意义的。 假设光波由光疏介质向光密介质传播，即为n10, i1-i2，由菲涅尔公式可以得到： 0, 0 并且即为-1，说明反在射光中，P、S其分量的方向都在反射的一瞬间发生反转，反向x轴方向观察可得到振动反转图如下：2.垂直入射 在此时i1i20,即可得到0 并且-,即为-.在反射光中的S分量在反射的瞬间发生反转，P分量在此刻也发生了反转，沿Z轴方向进行观察可以发现振动的反转，如图所

11、示 图4 垂直入射 根据以上两种状况说明在反射的时候光的振动方向发生突变，转为相反的方向就相当于在光的相位上发生了相位突变，在所对应的光程就等同于半个波长的改变因此称之为半波损失。3. 劳埃德镜实验分析3.1 劳埃德实验于1801年科学家托马斯-杨通过双缝干涉实验成功的证明的光具有波动性7，在之后对光特性的探索中，劳埃德发现了一种更为简便的实验可以观察光的干涉现象-劳埃德镜实验，实验发现,洛氏实验和扬氏实验的光强分布形式有许多相同之处, 因此可以通过将洛氏实验等效转化为双缝干涉而对实验结果给出了满意的解释.另外, 在洛埃德镜实验中还发现了一个重要的现象, 即反射光波产生了位相跃变.所以, 洛氏

12、实验中的中央条纹不像扬氏实验那样的亮条纹而是暗条纹，因此可证明光在反射时出现半波损失现象。 3.2 劳埃德镜实验条件劳埃德实验将入射光以光疏介质向光密介质传播的形式，并且其入射角近似于90即为掠摄，图中的MN尾一个平面反射镜，S为与纸面互相垂直的狭缝光源。由于在实验中屏幕至S 的垂直距离D远大于S与其虚像S之间距离，即Dd，因此采用掠射的方式，此上为劳埃德镜的必要实验条件。图5 劳埃德镜实验图6 劳埃德镜实验光束振动方向关系3.3 实验分析根据菲涅尔公式当一束光入射到两种透明介质的分界面上的时候图像如图1a所示，其反射的振幅比分别为： (5) (6)E1s、E1s，表示入射光波、反射光波的垂直

13、入射面的分量，E1p、E1p，表示入射光波、反射光波的平行人射面的分量，rs为垂直人射面的反射振幅比，rp为平行人射面的反射振幅比.i1与i2分别为为入射角和折射角，如图7所示。 由劳埃德镜的实验条件为光束有空气入射到玻璃界面且为掠射，即i1、i2接近于,并且i1-i20, i1-i2，由菲涅尔公式可以得到： 0, 0 并且，结合公式(6)分析使入射角大于布儒斯诺角，从而保证反射光发生半波长的突变，在实验结果中观察到光强的变化。图7 劳埃德镜实验电磁矢量分析图4. 维纳驻波实验分析 4.1 维纳驻波实验 于1890年维纳在实验中发现光驻波的存在，该实验为使一束单一波长的光波（波长范围非常小且为

14、平行光束）垂直投射到前面的镀银反射镜MN上，从而入射波与反射波发生叠加从而形成驻波，然后把把具有涂层的透明感光膜的平玻璃片置于驻波中，感光片与镜面倾斜约为百分之一度角，当显影曝光之后可以得到一系列的等距离黑色的条纹，这些条纹位于驻波的波腹与感光底片相交的位置，由于底片是对E感光则表明其电矢量为主要的。图8 维纳驻波实验4.2维纳驻波实验分析图9 维纳驻波实验电磁矢量分析 维纳驻波实验与劳埃德镜实验不同之处在于,维纳驻波实验中入射角i1几乎为零,根据光的波动性并分析波的电矢量以及传播方向，波的磁矢量方向可以根据右手螺旋定则来判断8，分别以A1 , A1 和A 2 依次表示入射波、反射波和折射波的

15、电矢量振幅, 它们的分量相应就是Ap1 , Ap1 , Ap2和As1 , As1 , As2，如果假设光光疏射向光束由密处由n1i2.则有As1 0，反射光中的As1和Ap1都分别与入射光中的As1和Ap1方向相反, 这就是说反射光波的电矢量与入射光波的电矢量方向相反, 在这种情况下发生了半波损失,由于反射光和入射光的传播方向是相反的, 所以磁矢量的方向不变，不产生半波损失, 显然介质表面对驻波中的电矢量来说是波节, 但对磁矢量来说仍是波腹.维纳实验所用的感光乳胶在介质表面上不感光, 表示对感光作用来说，电矢量是主要的, 此处磁矢量虽然不发生改变但是感光乳胶对于磁矢量不发生感光，因为洛伦磁力

16、qvB相对于qE要小的多，因此更加有利于实验结论的得出。5. 对半波损失的诠释 根据菲涅尔公式的分析并且结合劳埃德镜实验以及维纳驻波实验，大致可以得到以下结论：针对电矢量而言，入射光由光疏媒介射向光密媒介的时候，即n1n2 的条件下，在掠射(入射角近似于90)或者是正入射(入射角近似于0)的状况下，反射光与入射光的振动方向都是接近相反，因此都发生了半波损失，在光波的电磁效应中大多只考虑电矢量的作用，因为电磁波的磁矢量作用在电子上的洛伦磁力与电矢量作用力相比即= (c与v分别为电子速度与光速)，所以可以忽略磁矢量的作用。6.结束语 针对光的干涉中的半波损失现象分析如上，由于在入射光垂直入射或者掠

17、射的时候，入射光与反射光的振动方向近似相反而出现半波损失，通过分析该现象让人们对光的本质有了更深层次的了解和学习，并且对以后的光的本质特性研究也有莫大的帮助，关于光的本质依然有很多问题需要解决，如不停止的探索精神不能就此停止。参考文献1 蔡履中,王成彦,周玉芳.光学M.济南:山东大学出版社,2002:109-111.2陈胜钰,鄢仁文,李雪梅A沈阳:辽宁人民出版社文章编号:1009-7821(2007)02-0034-03.3 姚启钧.光学教程M.北京: 高等教育出版社, 2002:120-125.4 李春燕,常清英,何志巍,金仲辉A.北京:（中国农业大学理学院北京1003).5 赵俊卿,蔡传锦A山东建筑工程学院学报 2005年.6 曹卫军A.昌吉:昌吉学院学报 2007年第3期折射:25-30.7 赵凯华,钟锡华,光学M,北京,北京大学出版社,1994:125-130.8 易明,光学M,北京:高等教育出版社:133-137.