菲涅耳公式

菲涅耳公式

菲涅耳電磁波通過不同介質的分界面時全發生反射和折射.這一關係可由菲涅耳公式表達出來.上節提到的在反射過程中發生的半波損失問題,就可以用這個公式來解釋.這一公式對以後講到的許多光學現像都能圓滿地加以說明.菲涅耳公式共有兩套,分別適用於垂直極化平面波和平行極化平面波。菲涅耳公式是闡述平面電磁波在兩種媒質分界面上傳播特性的一組公式。入射波電場強度Ei與入射面垂直,稱之為垂直極化平面波,簡稱為垂直極化波;若Ei與入射面平行(或入射波磁場強度Ei與入射面正交),則叫做平行極化平面波,簡稱為平行極化波。

介紹

菲涅耳公式是闡述平面電磁波在兩種媒質分界面上傳播特性的一組公式。也就是表達反射係數r、折射係數t與媒質1的波阻抗η1、媒質2的波阻抗η2、入射角θi、折射角θt之間內在聯繫的公式。常用來計算反射波電場強度06和折射波電場強度Er。菲涅耳公式共有兩套,分別適用於垂直極化平面波和平行極化平面波。

反射係數r反射波電場強度Er與入射被電場強度Ei之比,即r=E/E

反射係數一般為複數。

折射係數t折射波電場強度與入射波電場強度之比,即t=E/E

折射係數一般為複數。

垂直極化遺與平行極化波入射線與介質1、2界面的法線所構成的面叫入射面。入射波電場強度Ei與入射面垂直,稱之為垂直極化平面波,簡稱為垂直極化波;若Ei與入射面平行(或入射波磁場強度Ei與入射面正交),則叫做平行極化平面波,簡稱為平行極化波。

極化方向任意的入射波,可以看成是由垂直極化波和平行極化波疊加而成的。

斜入射使用的菲涅耳公式

菲涅耳公式菲涅耳公式

垂直投射時的菲涅耳公式當θi=θr=θt=0時,垂直極化波和平行極化波均用下式計算:

菲涅耳公式菲涅耳公式

功率反射係數R與功率折射係數T:每一單位面積的平均反射功率與同一面積內的平均入射功率之比,稱為功率反射係數,記作R。每一單位面積內的平均折射功率與同一面積內的平均入射功率之比,稱為功率折射係數。符號為T。

不論是垂直極化波還是平行極化波,功率反射係數與功率折射係數之和恆等於1,這是能量守恆的必然結果。

結論

既然入射光諸振動分量都看作是正的,所以菲涅耳公式中的符號,可以認為只是對反射和折射光而言的,反射光和折射光都是在入射點突然改變傳播方向的,因此,一般地說,電矢量也將在這裡突然改變方向.

詳細分析

它不能簡單的用入射光位相怎樣改變來說明,因為正負值僅是相對於各自規定的方向說的,而要通過菲涅耳公式及有關的符號規定來分析。這樣,既可以解釋一束光垂直入射或掠射時反射光相對於入射光的半波損失問題,又可以解釋兩束不同情況下的反射光之間的額外程差問題。至於符號到底是否改變,取決於入射角的大小和折射角,換句話說,取決於入射角和介質的折射率。

半波損失的解釋

現在用菲涅耳公式來解釋半波損失問題。在洛埃鏡實驗中,光從空氣入射到玻璃,即 。按折射定律 ,知道 。由於 , ,令入射光中的As1,Ap1均取正值,所以 ; 。從圖中可以看到,在i1=90°的掠射情況下,入射光和反射光的傳播方向幾乎相同,它們的波面I和II幾乎相互平行.此時,對Ap1′和Ap1規定的正方向也幾乎相同,由於在無限靠近界面處反射光中電矢量的兩個分量都取負值,而且滿足 ,它們的合矢量幾乎與這裡入射光中的合矢量方向相反.在波的航進路程上,通常是每隔半個波長,振動矢量的方向相反.現在則是在同一地點(界面上的入射點),而不是相隔半個波長處,僅是由於反射過程,振動方向就變成相反了.所以稱為半波損失(這是對電矢量說的,根據E、H和傳播方向三者之間所構成的右螺鏇關係可知,磁矢量在這情況中,也同樣產生半波損失).在維納駐波實驗中,i1幾乎等於零.仍設n1<n2,即i1>i2,得As1′<0;Ap1′>0.但按照各自規定的正方向,反射光中的As1′和Ap1′都分別與入射光中的As1和Ap1反向,而且滿足 ,這就是說合矢量反向.這也是在同一地點(入射點)而不是相隔半個波處,僅僅是由於反射過程使振動方向變成相反.所以在這情況中(i1≈0)也發生了半波損失.這也是對電矢量說的.由於這裡反射光和入射光的傳播方向是相反的,所以磁矢量的方向不變,不產生半波損失.因此,介質表面對駐波中的電矢量來說是波節,但對磁矢量來說仍應該是波腹.維納實驗所用感光乳膠在介質表面上不感光表示對感光作用說,電矢量是主要的.此處磁矢量雖是波腹,但乳膠並不感光,說明磁矢量對感光不起作用.這一結果是容易解釋的,因為電磁波的磁矢量作用在電子上的洛侖茲力qvB比電矢量的作用力qE小得多,其比值為v2/c2,式中v和c分別為電子的速度和光速,一般可以略去不計.

實驗總結

總結洛埃鏡實驗和維納實驗,可得這樣的結論:入射光在光疏介質(n1小)中前進,遇到光密介質(n2大)的界面時,在掠射(i1≈90°)或正射(i1≈0)兩種情況下,反射光的振動方向對於入射光的振動方向都幾乎相反,都將在反射過程中產生半波損失,這是僅對電矢量而言的.在光的效應中,一般僅考慮電矢量的作用.正是這個原因,我們常把電場矢量稱為光矢量,電場稱為光場.入射光在光密介質中前進,遇到光疏介質的界面而反射時(n1>n2),不產生半波損失.由上可知,不論在掠射或正射時,相對於入射光的振動方向,折射光的振動方向永遠不發生半波損失.

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