菲涅耳公式是阐述平面电磁波在两种媒质分界面上传播特性的一组公式。也就是表达反射系数r、折射系数t与媒质1的波阻抗、媒质2的波阻抗、入射角、折射角之间内在联系的公式。常用来计算反射波电场强度06和折射波电场强度Er。菲涅耳公式共有两套,分别适用于垂直极化平面波和平行极化平面波。
反射系数r反射波电场强度Er与入射被电场强度Ei之比,即
反射系数一般为复数。
折射系数t折射波电场强度与入射波电场强度之比,即
折射系数一般为复数。
垂直极化遗与平行极化波入射线与介质1、2界面的法线所构成的面叫入射面。
极化方向任意的入射波,可以看成是由垂直极化波和平行极化波叠加而成的。
斜入射使用的菲涅耳公式
垂直投射时的菲涅耳公式当时,垂直极化波和平行极化波均用下式计算:
功率反射系数R与功率折射系数T:每一单位面积的平均反射功率与同一面积内的平均入射功率之比,称为功率反射系数,记作R。每一单位面积内的平均折射功率与同一面积内的平均入射功率之比,称为功率折射系数。符号为T。
不论是垂直极化波还是平行极化波,功率反射系数与功率折射系数之和恒等于1,这是能量守恒的必然结果。
结论既然入射光诸振动分量都看作是正的,所以菲涅耳公式中的符号,可以认为只是对反射和折射光而言的,反射光和折射光都是在入射点突然改变传播方向的,因此,一般地说,电矢量也将在这里突然改变方向.
详细分析它不能简单地用入射光位相怎样改变来说明,因为正负值仅是相对于各自规定的方向说的,而要通过菲涅耳公式及有关的符号规定来分析。这样,既可以解释一束光垂直入射或掠射时反射光相对于入射光的半波损失问题,又可以解释两束不同情况下的反射光之间的额外程差问题。至于符号到底是否改变,取决于入射角的大小和折射角,换句话说,取决于入射角和介质的折射率。
半波损失的解释现在用菲涅耳公式来解释半波损失问题。在洛埃镜实验中,光从空气入射到玻璃,即。按折射定律,知道。由于, ,令入射光中的,均取正值,所以 。从图中可以看到,在的掠射情况下,入射光和反射光的传播方向几乎相同,它们的波面I和II几乎相互平行.此时,对和规定的正方向也几乎相同,由于在无限靠近界面处反射光中电矢量的两个分量都取负值,而且满足 ,它们的合矢量几乎与这里入射光中的合矢量方向相反.在波的航进路程上,通常是每隔半个波长,振动矢量的方向相反.现在则是在同一地点(界面上的入射点),而不是相隔半个波长处,仅是由于反射过程,振动方向就变成相反了.所以称为半波损失(这是对电矢量说的,根据E、H和传播方向三者之间所构成的右螺旋关系可知,磁矢量在这情况中,也同样产生半波损失).在维纳驻波实验中,几乎等于零.仍设,即,得.但按照各自规定的正方向,反射光中的和都分别与入射光中的和反向,而且满足 ,这就是说合矢量反向.这也是在同一地点(入射点)而不是相隔半个波处,仅仅是由于反射过程使振动方向变成相反.所以在这情况中也发生了半波损失.这也是对电矢量说的.由于这里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.因此,介质表面对驻波中的电矢量来说是波节,但对磁矢量来说仍应该是波腹.维纳实验所用感光乳胶在介质表面上不感光表示对感光作用说,电矢量是主要的.此处磁矢量虽是波腹,但乳胶并不感光,说明磁矢量对感光不起作用.这一结果是容易解释的,因为电磁波的磁矢量作用在电子上的洛仑兹力qvB比电矢量的作用力qE小得多,其比值为,式中v和c分别为电子的速度和光速,一般可以略去不计.实验总结
总结洛埃镜实验和维纳实验,可得这样的结论:入射光在光疏介质(小)中前进,遇到光密介质(大)的界面时,在掠射或正射两种情况下,反射光的振动方向对于入射光的振动方向都几乎相反,都将在反射过程中产生半波损失,这是仅对电矢量而言的.在光的效应中,一般仅考虑电矢量的作用.正是这个原因,我们常把电场矢量称为光矢量,电场称为光场.入射光在光密介质中前进,遇到光疏介质的界面而反射时,不产生半波损失.由上可知,不论在掠射或正射时,相对于入射光的振动方向,折射光的振动方向永远不发生半波损失.