物理光学 全反射课件.ppt

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1、全反射由前面的分析已知，当光由光密介质射向光疏介质时，会产生全反射现象。下面，进一步讨论全反射现象的基本特性。10900%50%100%RpRsn1>n2RBC入射角大于临界角的光线发生全反射如前所述，光由光密介质射向光疏介质(n1>n2)时，产生全反射的临界角c满足下述关系：当1>c时，必然会出现sin1>n2/n1的现象，这显然是不合理的。1.反射波此时，折射定律n1sin1=n2sin2不再成立。但是，为了能够将菲涅耳公式应用于全反射的情况，在形式上仍然要利用关系式1.反射波为此，应将cos2写成如下的虚数形式将(166)式代

2、入菲涅耳公式，得到复系数1.反射波1.反射波并且有n=n2/n1是二介质的相对折射率；为反射光与入射光的s分量、p分量光场振幅大小之比。rs、rp为全反射时，反射光中的s分量、p分量光场相对入射光的相位变化。由上式可见，发生全反射时，反射光强等于入射光强,而反射光的相位变化较复杂，大致规律如图所示。1.反射波1B0/2rsC1B0/2rsC应特别指出，在全反射时，反射光中的s分量和p分量的相位变化不同，它们之间的相位差取决于入射角1和二介质的相对折射率n，由下式决定：因此，在n一定的情况下，适当地控制入射角1，即可改变Δ

3、，从而改变反射光的偏振状态。1.反射波例如，图所示的菲涅耳菱体就是利用这个原理将入射的线偏振光变为圆偏振光的。对于图示之玻璃菱体(n=1.51)，当1=54037(或48037)时，有Δ=450。因此，垂直菱体入射的线偏振光，若其振动方向与入射面的法线成450角，则在菱体内上下两个界而进行两次全反射后，s分量和p分量的相位差为900，因而输出光为圆偏振光。1.反射波圆偏振光线偏振光54.3754.37下图画出了几种不同值相应的椭圆偏振态。实际上，线偏振态和圆偏振态都是椭圆偏振态的特殊情况。2.衰逝波更深入地研究全反射现象表明：在发生全反射时

4、，光波场将送入到第二个介质很薄的一层内（约为光波波长），并沿着界面传播一段距离，再返回第一个介质。这个透入到第二个介质中表面层内的波叫衰逝波（疏逝波）。当光由光密介质射向光琉介质，并在界而上发生全反射时，透射光强为零。那么，在光疏介质中有无光场呢？2.衰逝波现假设介质界面为xOy平面，入射面为xOz平面，则在一般情况下可将透射波场表示为考虑到(166)式后，上式可改写为2.衰逝波这是一个沿着z方向振幅衰减，沿着界面x方向传播的非均匀波，也就是全反射时的衰逝波。由此可以说明，在前面的讨论中，只有cos2取虚数形式，(166)式取正号。才可以得到这个客观

5、上存在的衰逝波。2.衰逝波沿x方向传播的速度为式中，、分别为光在第一个介质中的波长和速度。由(172)式可见，衰逝波沿x方向的传播常数为，因此，它沿x方向传播的波长为2.衰逝波定义衰逝波沿z方向衰减到表面强度1/e处的深度为衰逝波在第二个介质中的穿透深度。穿透深度z0很容易由2.衰逝波例如，n1=1.52，n2=1，1=450时，z0=0.4。因此，衰逝波的穿透深度为波长的量级。发生全反射时，光由第一个介质进入第二个介质的能量入口处和返回能量的出口处，相隔约半个波长，即如图所示，存在一个横向位移，此位移通常称为古斯一哈思斯位移。2.衰逝波n1n

6、2n2。当光线在子午面内由光纤端面进入光纤纤芯，并以入射角射到纤芯和包层界面上时，如果入射角大于临界角c，将全反射回到纤芯中，直至从另一端折射输出。1）光纤传光原理n0n1n2根据全反射的要求，对于光纤端面上光线的入射角，存在一个最大角M，它可根据全反射条件，由临界角关系求出

7、：当>M时，光线将透过界面进入包层，并向周围空间产生辐射损耗，因此光纤不能有效地传递光能。1）光纤传光原理通常将n0sinM称为光纤的数值孔径(NA)，显然，数值孔径表示式为式中称为纤芯和包层的相对折射率差，一般光纤的Δ值为0.01~0.05。1）光纤传光原理利用全反射现象可以制成测量液面高度的光纤液面计，其原理结构如图所示。光源发出的光由光纤辐合进棱镜，经棱镜全反射后由另一根光纤输入光电探测器。2）光纤液面计