4.4 反射光在反射點產(chǎn)生的相位躍變半波損失[上課課堂]

1、物理科學與信息工程學院 4.4 反射光在反射點產(chǎn)生的相位躍變反射光在反射點產(chǎn)生的相位躍變 半波損失半波損失 第四章第四章 波動光學的電磁理論基礎波動光學的電磁理論基礎 （Electromagnetic theory of wave optics） 一、反射光與折射光的相位變化一、反射光與折射光的相位變化 前面我們規(guī)定了入射光、反射光、折射光中前面我們規(guī)定了入射光、反射光、折射光中P、S分量的正方分量的正方 向，并認為它們的振幅均為正值。若由菲涅爾公式得出的反射向，并認為它們的振幅均為正值。若由菲涅爾公式得出的反射 光或折射光光或折射光P、S分量為負值，則說明其相應分量的相位發(fā)生了分量為負值，則

2、說明其相應分量的相位發(fā)生了 的的突變。突變。 由菲涅耳公式以導出反射光、折射光在反射點的相位變化規(guī)律。由菲涅耳公式以導出反射光、折射光在反射點的相位變化規(guī)律。 物理科學與信息工程學院 1.1.反射光的位相變化反射光的位相變化 光在介質表面發(fā)生反射時有兩種情況：光在介質表面發(fā)生反射時有兩種情況： 外反射外反射 ：光由光疏介質射入光密介質時發(fā)生的反射：光由光疏介質射入光密介質時發(fā)生的反射 內反射內反射 ：光由光密介質射入光疏介質時發(fā)生的反射：光由光密介質射入光疏介質時發(fā)生的反射 1).1).外反射外反射 （1 1）P P分量的相位變化。分量的相位變化。 對于外反射，對于外反射， 2121 ,iin

3、n 且且i1 和和i2 都小于都小于 /2/2 物理科學與信息工程學院 21 21 1 1 iitg iitg A A r P P P 由菲涅耳公式：由菲涅耳公式： 因為因為 0 21 iitg 所以所以r rp p的正負完全由分母決定。的正負完全由分母決定。 21 iitg時 2 21 ii當當 0 p r 這時的入射角用這時的入射角用iB表示，稱為表示，稱為布儒斯特角布儒斯特角。 BB iiii 2 , 21 當當 代入折射定律代入折射定律, ,可得可得: : 1 2 1 n n tgiB 物理科學與信息工程學院 即當以即當以iB 入射時，入射時，反射光中沒有反射光中沒有P P分量，只有分

4、量，只有S S分量分量. . ，0 21 iitg 時，即時 2 0 211 iiii B 當當 0 p r則 無相位躍變。無相位躍變。 a.a. 時，即時 2 2 211 iiiiBb.b. 當當 ，0 21 iitg 0 p r則 B i 2 1 i p 什么情況下，透射光沒有反射能量損失？什么情況下，透射光沒有反射能量損失？ 反射光的反射光的P P分量發(fā)生相位分量發(fā)生相位 躍變。躍變。 物理科學與信息工程學院 (2)(2)反射光中反射光中S S分量的相位變化分量的相位變化 對于外反射對于外反射, ,由由 21 21 1 1 sin sin ii ii A A r s S S 因為因為 0

5、sin 21 ii0sin 21 ii 所以所以 0 s r 反射光中，反射光中，S S分量有分量有 的相位躍變。的相位躍變。 1 i 2 0 0 s 物理科學與信息工程學院 2 2）內反射時反射光在反射點的相位變化。）內反射時反射光在反射點的相位變化。 (1)P(1)P分量：分量： 1 2 1 1 sin n n ii c , 2121 iinn對于內反射對于內反射 將發(fā)生全反射。將發(fā)生全反射。 時，當 2 2 i a.a. 當當 ，時 0 1B ii ，0 21 iitg，0 21 iitg 因此，因此，0 p r P P分量發(fā)生分量發(fā)生 的相位躍變。的相位躍變。 b.b. 當當 ，時 1

6、cB iii ，0 21 iitg ，0 21 iitg 時即 2 21 ii 因此因此0 p r P P分量無相位躍變。分量無相位躍變。 物理科學與信息工程學院 將發(fā)生全反射。將發(fā)生全反射。C. C. 當當，時 2 1 iic 其相位的改變量為：其相位的改變量為： p p 滿足下式：滿足下式： , cos sin 2 1 2 1 2 in ni tg P , 1 2 n n n 之間變化在0 p0 0 B i c i 2 p 1 i 物理科學與信息工程學院 (2)S(2)S分量的相位變化分量的相位變化 內反射時：內反射時： , 2121 iinn ，時 0 1c ii a.a. 當當0sin

7、 21 ii , 0sin 21 ii因此因此 0 s r 則則S S分量無相位躍變。分量無相位躍變。 （b b）當）當將發(fā)生全反射。將發(fā)生全反射。，時 2 1 iic 其其S S分量的相位改變?yōu)榉至康南辔桓淖優(yōu)?s 物理科學與信息工程學院 , cos sin 2 1 2 1 2 i ni tg S 之間變化。在0 s 滿足下式：滿足下式： 0 0 c i 2 s 1 i 物理科學與信息工程學院 2.2.折射不改變相位。折射不改變相位。 對于外反射對于外反射 2121 ,iinn 對于內反射對于內反射 2121 ,iinn 2121 12 1 2 cossin cossin2 iiii ii

8、A A t P P P 21 12 1 2 sin cossin2 ii ii A A t S S S 無論入射角無論入射角i1大小如何，都有大小如何，都有 0, 0 sp tt 二、光反射時的半波損失二、光反射時的半波損失 光波具有時空雙重周期性，在光程上，每隔半個波光波具有時空雙重周期性，在光程上，每隔半個波 長光矢量的振動方向相反。長光矢量的振動方向相反。 當光在兩種介質界面上反射時，如果反射光的光矢當光在兩種介質界面上反射時，如果反射光的光矢 量振動方向相對于入射光的光矢量變成共線反向?；蛄空駝臃较蛳鄬τ谌肷涔獾墓馐噶孔兂晒簿€反向?；?者說在反射點反射光電矢量相對于入射光電矢量相位者說

9、在反射點反射光電矢量相對于入射光電矢量相位 突變突變 ，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為“半波損失半波損失”。 物理科學與信息工程學院 其意義是：其意義是： 在折射點，折射光的振幅相位不因折射而產(chǎn)生變化。在折射點，折射光的振幅相位不因折射而產(chǎn)生變化。 即在折射點，折射光總是與入射光的振動同相位。即在折射點，折射光總是與入射光的振動同相位。 物理科學與信息工程學院 1.1.正入射，外反射時，反射光產(chǎn)生半波損失正入射，外反射時，反射光產(chǎn)生半波損失 正入射時正入射時 i1 =0，由外反射時的相位躍變圖可知，由外反射時的相位躍變圖可知， 反射光反射光P，S分量的相位改變量分別為分量的相位改變量分別為 Sp

10、, 0 A Ap1 p1 A As1 s1 1s A 1p A 規(guī)定正方向規(guī)定正方向 由圖可以看出：由圖可以看出： 實際振動方向相反。與 1111 , 0, 0 PPPP AAAA 實際振動方向相反。與 1111 , 0, 0 SSSS AAAA 實際振實際振 動方向動方向 1s A 1p A 物理科學與信息工程學院 由菲涅耳公式知，當由菲涅耳公式知，當i1=0=0時，時， 21 12 1 1 nn nn A A r P P p 21 12 1 1 nn nn A A r s s s 1p A 1s A1 A 1 p A 1 sA 1 A 如圖，在反射點，反射光和入射光矢量的振幅如圖，在反射點

11、，反射光和入射光矢量的振幅A A1 1與與A A1 1共共 線反向，說明由于反射，在反射點，反射光電場矢量相對線反向，說明由于反射，在反射點，反射光電場矢量相對 于入射光電場矢量相位躍變了于入射光電場矢量相位躍變了 ，即反射，即反射光電場矢量產(chǎn)生光電場矢量產(chǎn)生 了半波損失。了半波損失。 物理科學與信息工程學院 2.2.掠入射，外反射時，反射光產(chǎn)生半波損失掠入射，外反射時，反射光產(chǎn)生半波損失 大角掠射時，大角掠射時， sp i, 2 1 按照按照P,SP,S分量各自約定的正方向在反射點處。如圖分量各自約定的正方向在反射點處。如圖 1p A 1s A 1 p A 1 sA A AP1 P10, A

12、 0, AP1 P10, 0, A 0, A S1 S10, 0,A AS1 S1與 與A A S1 S1實際振動方向反向。 實際振動方向反向。 物理科學與信息工程學院 由菲涅爾公式：由菲涅爾公式： 1 sp rr 1 A 1p A 1s A 1 p A 1 sA 1 A 因此，在反射點反射光電因此，在反射點反射光電 場矢量和入射光電場矢量的場矢量和入射光電場矢量的 振幅振幅A A 1 1與 與A A1 1共線反向。即共線反向。即 反射光的電場矢量反射光的電場矢量產(chǎn)生了半產(chǎn)生了半 波損失。波損失。 類似可知：類似可知： 3.3.內反射時，反射光無半波損失。內反射時，反射光無半波損失。 4. 4

13、.在任何情況下，折射光永不產(chǎn)生半波損失。在任何情況下，折射光永不產(chǎn)生半波損失。 物理科學與信息工程學院 三、介質板上下表面反射和折射時的半波損失三、介質板上下表面反射和折射時的半波損失 A B 1 n 2 n 1 n 1 2 C 1p A 1s A d 若光在兩介質界面上反射若光在兩介質界面上反射 時的時的物理性質不同物理性質不同( (物理性物理性 質不同是指一個面是外反射，質不同是指一個面是外反射， 一個面是內反射一個面是內反射) ) 兩兩反射相干光反射相干光1 1、2 2之間將產(chǎn)生之間將產(chǎn)生 /2/2的附加光程差。的附加光程差。 兩兩透射相干光透射相干光1 1 、2 2 之間不產(chǎn)生之間不產(chǎn)

14、生 /2/2的的附加光程差。附加光程差。 若光在兩介質界面上反射若光在兩介質界面上反射 時的時的物理性質相同物理性質相同( (物理性物理性 質相同是指上下兩個面都是質相同是指上下兩個面都是 是外反射，或著都是內反射是外反射，或著都是內反射) ) 兩兩反射相干光反射相干光1 1、2 2之間不產(chǎn)生之間不產(chǎn)生 /2/2的附加光程差。的附加光程差。 兩兩透射相干光透射相干光1 1 、2 2 之間將產(chǎn)生之間將產(chǎn)生 /2/2的的附加光程差。附加光程差。 321 nnn A B C D 1 n 2 n 12 21 d 3 n 321 nnn 即即 或或 n n 內反射時，折射角隨著入射角的增大而增大，當內反射時，折射角隨著入射角的增大而增大，當 折射角等于折射角等于900 時，對應的入射角為時，對應的入射角為 i c 。 點光源點光源. 全內反射全內反射 c i 稱作稱作臨界角。臨界角。 c i 四、全內反射四、全內反射 臨界角臨界角 內反射：內反射：光從光密媒質入射到光疏媒質光從光密媒質入射到光疏媒質。