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【醫(yī)院對講呼叫系統(tǒng)廠家】光的反射、折射和全反射-光纖波導(dǎo)傳光基礎(chǔ)

2023-10-21 09:16

       光在同一種物質(zhì)中傳播時,是直線傳播的。但是光波從折射率較大的介質(zhì)入射到折射率較小的介質(zhì)時,在一定的入射角度范圍內(nèi),光在邊界會發(fā)生反射和折射,如圖2.3.1a所示。入射光與法平面的夾角θi叫入射角,反射光與法平面的夾角θr叫反射角,折射光與法平面的夾角θt叫折射角。

       把筷子傾斜地插入水中,可以看到筷子與水面的相交處發(fā)生彎折,原來的一根直直的筷子似乎變得向上彎了,這就是光的折射現(xiàn)象,如圖2.3.1b所示。因為水的折射率要比空氣的大(n1>n2),所以折射角θt要比入射角θi大,所以我們看到水中的筷子向上翹起來了。

       水下的潛水員在某些位置時,可以看到岸上的人,如圖2.3.2中入射角為θi1的情況。但是當(dāng)他離開岸邊向遠(yuǎn)處移動,當(dāng)入射角等于或大于某一角度θc時,他就感到晃眼,什么也看不見,此時的入射角θc就叫臨界角。

 

圖2.3.1光的反射和折射

a)入射光、反射光和折射光b)插入水中的筷子變得向上彎曲了

圖2.3.2光線在界面的反射和折射使水下不同位置的潛水員看到的景色有別

       現(xiàn)在考慮一個平面電磁波從折射率為n1的介質(zhì)1傳輸?shù)秸凵渎蕿閚2的介質(zhì)2,并且n1>n2,就像光從纖芯輻射到包層一樣,如圖2.3.3和圖2.3.5a所示,ki、kr和kt分別表示入射光、反射光和折射光的波矢量,但因入射光和反射光均在同一個介質(zhì)內(nèi),所以ki=kr;θi、θr和θt分別表示入射光、反射光和折射光方向與兩介質(zhì)邊界面法線的角度。

       入射光在界面反射時,只有θr=θi的反射光因相長干涉而存在,因入射光Ai和Bi同相,所以反射波Ar和Br也必須同相,否則它們會發(fā)生相消干涉而相互抵消,所有其他角度的反射光都不同相而發(fā)生相消干涉。

       折射光At和Bt在介質(zhì)2中傳輸,因為n1>n2,所以光在介質(zhì)2中的速度要比光在介質(zhì)1中的大。當(dāng)波前AB從介質(zhì)1傳輸?shù)浇橘|(zhì)2時,我們知道在同一波前上的兩個點(diǎn)總是同相位的,入射光Bi上的相位點(diǎn)B經(jīng)過一段時間到達(dá)B′,與此同時入射光Ai上的相位點(diǎn)A到達(dá)A′。于是波前A′波和B′波仍然具有相同的相位,否則就不會有折射光。只有折射光At和Bt以一個特別的折射角θt折射時,在波前上的A′點(diǎn)和B′點(diǎn)才同相。

圖2.3.3光波從折射率較大的介質(zhì)入射到折射率較小的介質(zhì)在邊界發(fā)生反射和折射

        如果經(jīng)過時間t,相位點(diǎn)B以相速度υ1傳輸?shù)紹′,此時BB′=υ1t=ct/n1。同時相位點(diǎn)A以相速度υ2傳輸?shù)紸′,AA′=υ2t=ct/n2。波前AB與介質(zhì)1中的波矢量ki垂直,波前A′B′與介質(zhì)2中的波矢量kt垂直。從幾何光學(xué)可以得到(見圖2.3.3左上角的小圖)

      這就是斯奈爾定律,它表示入射角和折射角與介質(zhì)折射率的關(guān)系。該定律由威里布里德·斯奈爾(Willebrord Snell)于1621年重新發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在考慮反射波,波前AB變成A″B′,在時間t,B移動到B′,A移動到A″。因為它們必須同相位,以便構(gòu)成反射波,BB′必須等于AA″。因為BB′=AA″=υ1t,從三角形ABB′和A″AB′可以得到

因此θr=θi,即入射角等于反射角,與物質(zhì)的折射率無關(guān)。

斯奈爾——折射定律發(fā)現(xiàn)者

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