物理光学8第八次课、折射和反射定律、菲涅耳公式

菲涅尔公式折射率菲涅尔公式是描述光在两种介质之间发生反射和折射时的现象的物理学方程。

这个公式是由奥古斯丁·菲涅尔（Augustin-Jean Fresnel）在19世纪初提出的，对于理解光的行为在各种光学应用中至关重要。

1. 菲涅尔公式的基本原理：反射和折射：菲涅尔公式分别描述了光从一个介质到另一个介质的反射和折射。

这两个过程都涉及到光在两种介质之间的界面上发生的现象。

法线和入射角：菲涅尔公式中涉及到法线，即垂直于介质界面的直线。

入射角是光线与法线的夹角。

2. 反射的菲涅尔公式：反射的菲涅尔公式描述了入射光被反射的情况。

对于垂直入射光，反射率（反射光强与入射光强之比）由公式给出。

极化：菲涅尔公式还考虑了光的极化状态，分为垂直极化和平行极化。

3. 折射的菲涅尔公式：折射的菲涅尔公式描述了光从一种介质进入另一种介质时的行为。

这包括折射率对入射角的依赖性。

全反射：当光从折射率较大的介质射向折射率较小的介质时，可能发生全反射的现象。

4. 多层介质的复合菲涅尔公式：多层介质：在复杂的光学系统中，涉及到多个介质层时，可以使用复合菲涅尔公式来描述光的行为。

薄膜干涉：多层介质的复合菲涅尔公式对于理解薄膜干涉等现象非常有用。

5. 折射率的重要性：定义：折射率是介质中光传播速度与真空中光传播速度的比值。

不同介质具有不同的折射率。

频率依赖性：在某些情况下，折射率可能会依赖于光的频率，导致光的色散现象。

6. 应用和意义：光学设计：菲涅尔公式在光学系统的设计中被广泛应用，例如在反射镜、透镜和薄膜涂层等方面。

天文学：菲涅尔公式帮助解释光在大气层中的传播和反射，对于天文学中的观测和研究也具有重要作用。

结论：菲涅尔公式为理解光在介质之间相互作用提供了数学框架。

它在光学研究、光学设计和应用等领域中都有广泛的应用，为探索和利用光的性质提供了有力的工具。

菲涅耳原理
菲涅耳原理指的是一个波从一个介质传播到另一介质时，会发生折射和反射，而这些现象可以通过一组简单的公式进行描述。

这个原理是由法国科学家菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）在19世纪初期提出的，他研究的主要是光的传播和衍射。

后来，这个原理也被推广至其他波动领域。

入射角是波的传播方向与介质界面法线的夹角。

假设波从一般介质A传入到另一介质B，那么入射角就是这个波与介质A表面法线的夹角。

这些参数可以用以下公式计算：
折射角 = 反射角 = i
其中r为反射系数，n1和n2分别是介质A和介质B的折射率，i为入射角。

关于折射率，我们可以根据介质的光密度来计算。

光密度是指在介质中传播的光线数量，它通常与介质的折射率成正比。

菲涅耳原理可以帮助我们理解许多光学现象，例如透明物体、反光镜、玻璃表面的反射、水面反射等等。

总的来说，菲涅耳原理揭示了波在介质间的传播规律和相互作用，使我们能够更加深入地理解和利用波的性质。

Chapter 1 理论基础1.1 介质中的Maxwell ’s equations 及物质方程微分形式=t =J+t ==0B E D H D B ρ⎧∂∇⨯-⎪∂⎪⎪∂∇⨯⎨∂⎪⎪∇⎪∇⎩ （1-1）传导电流密度J 的单位为安培/米2(A/m 2)，自由电荷密度ρ的单位为库仑/米2(C/m 2)。

同时有电磁场对材料介质作用的关系式，即物质方程（或称本构方程）00==()J=D E E PB H H M E εεμμσ⎧=+⎪⎪=+⎨⎪⎪⎩ （1-2）麦克斯韦方程组及物质方程描写了整个电磁场空间及全时间过程中电磁场的分布及变化情况。

因此，所有关于电磁波的产生及传播问题，均可归结到在给定的初始条件和边界条件下求解麦克斯韦方程组的问题，这也正是用以解决光波在各种介质、各种边界条件下传播问题的关键及核心。

1.2 积分形式及边界条件由于两介质分界面上在某些情况下场矢量E 、D 、B 、H 发生跃变，因此这些量的导数往往不连续。

这时不能在界面上直接应用微分形式的Maxwell ’s equations ，而必须由其积分形式出发导出界面上的边界条件。

积分形式0L S L S S S d E dl B d S dt d H dl I D d S dt D d S Q B d S ⎧=-⎪⎪⎪=+⎪⎨⎪=⎪⎪=⎪⎩⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ （1-3）得边界条件为21212121()0()()()0n E E n H H n D D n B B ασ⎧⨯-=⎪⨯-=⎪⎨⋅-=⎪⎪⋅-=⎩ （1-4）式（1-4）的具体解释依次如下（具体过程详见《光学电磁理论》P20）： （1）电场强度矢量E 的切向分量连续，n 为界面的法向分量。

（2）α为界面上的面传导电流的线密度。

当界面上无传导电流时，α=0，此时H 的切向分量连续。

比如在绝缘介质表面无自由电荷和传导电流。

（3）σ为界面上的自由电荷面密度。

（4）磁感应强度矢量B 的法向分量在界面上连续。

推导菲涅尔公式
菲涅尔公式是用来描述光在介质边界发生反射和折射的现象的公式。

它由奥古斯严·菲涅尔（Augustin-Jean Fresnel）在19世纪初提出，并经过后来的实验验证。

推导菲涅尔公式的过程如下：
1. 首先，考虑光从真空（折射率为n1=1）射入一个不同折射率的介质（折射率为n2）的情况。

设光线入射角为θ1，折射角为θ2。

2. 根据光的波动理论，我们知道光是电磁波，具有垂直于传播方向的电场分量和磁场分量。

这里我们只关注电场分量。

3. 假设入射光的电场分量为E1，反射光的电场分量为E_r，折射光的电场分量为E_t。

4. 根据光的边界条件，可以得到以下两个关系式：
- (1) 入射光的电场分量在入射面上的分量：E1 = Er*cos(θ1) + Et*cos(θ2)
- (2) 入射光的电场分量在入射面上的法向分量：E1*sin(θ1) = Er*sin(θ1) - Et*sin(θ2)
5. 利用折射率的定义，即光在不同介质中的传播速度之比等于折射率之比，可以得到以下关系式：
- (3) n1*sin(θ1) = n2*sin(θ2)
6. 利用这些关系式，我们可以解出反射光的电场分量Er和折射光的电场分量Et与入射光的电场分量E1之间的关系。

7. 最终，通过计算得到的反射光和折射光的电场分量与入射光
的电场分量之比，可以得到反射系数R和透射系数T。

8. 菲涅尔公式就是关于反射系数R和透射系数T的表达式。

需要注意的是，具体的推导过程包含一些复杂的数学计算和光学理论，超出了简单的文字描述范围。

光的折射与菲涅尔公式光的折射是一种常见的光学现象，它发生在光从一种介质透射到另一种介质时。

在我们日常生活中，我们可以观察到光线在水面上的折射，这是一个很好的例子来解释光的折射现象。

当光从空气中射入水中时，光线传播的速度会发生改变。

这是因为光在不同介质中传播的速度不同，而且每个介质都有一个特定的折射率。

折射率越大，光传播的速度就越慢。

菲涅尔公式是描述光的折射现象的一组方程。

它是由法国物理学家奥古斯丁-让-菲涅尔在19世纪初提出的。

菲涅尔公式可以用来计算光线从一个介质折射到另一个介质时的折射角度。

菲涅尔公式的表达式如下：\[ \frac{r_{\text{σ}}}{r_{\text{p}}} = \frac{ \text{sin}(i) - \text{sin}(t) \cdot\text{cos}(i) \cdot \text{tan}(t)}{ \text{sin}(i) + \text{sin}(t) \cdot \text{cos}(i) \cdot\text{tan}(t)} \]其中，\( r_{\text{σ}} \)和\( r_{\text{p}} \)分别代表s偏振光和p偏振光的反射系数，\( i \)代表入射角，\( t \)代表折射角。

我们可以通过菲涅尔公式来解释一些有趣的现象。

例如，当光从空气射入水中时，入射角增大，折射角也会增大。

当入射角等于一个特定角度时，折射角达到最大值，这个特定角度被称为临界角。

在临界角时，折射光线与水面垂直，光线不会透射到水中，而是发生全反射。

这就是为什么当我们观察水面时，看不到水底的事物。

此外，菲涅尔公式也可以解释光在不同介质之间的反射规律。

根据菲涅尔公式，当光从一个介质射入另一个介质时，一部分光会被反射回原始介质，另一部分光会被折射到新的介质中。

反射系数和折射系数与入射角和折射角有关。

入射角越大，反射系数越接近于1，折射系数越接近于0。

这意味着在入射角很大的情况下，光几乎完全被反射回原始介质。

菲涅尔积分公式
菲涅尔积分公式是光学和工程学中非常重要的公式之一，它用于描述光在两种不同介质之间反射和折射的过程。

这个公式是由物理学家和数学家奥古斯特·菲涅尔在19世纪初提出的，它基于光的波动理论，描述了光波在两种不同介质之间的传播行为。

菲涅尔积分公式包含两个部分：反射系数和折射系数。

反射系数用于描述光在两种不同介质之间的反射行为，而折射系数用于描述光在两种不同介质之间的折射行为。

这两个系数都与入射角、反射角和折射角有关，同时也与两种介质的折射率有关。

反射系数和折射系数的具体形式如下：
1. 反射系数R = (n2 * sinθi - n1 * sinθt) / (n2 * sinθi + n1 * sinθt)，其中n1 和n2 分别是两种介质的折射率，θi 和θt 分别是入射角和反射角。

2. 折射系数T = 2 * n1 * sinθi / (n2 * sinθt + n1 * sinθi)，其中n1 和n2 分别是两种介质的折射率，θi 和θt 分别是入射角和折射角。

在光学和工程学中，菲涅尔积分公式被广泛应用于计算光在各种不同介质之间的反射和折射行为。

这个公式对于光学设计、成像系统分析、光学仪器制造等领域非常重要。

除了菲涅尔积分公式外，还有许多其他公式和定理用于描述光的行为，例如斯涅尔定律、反射定理、折射定理等。

这些公式和定理都是基于光的波动理论或量子理论，是光学和工程学领域的重要工具。

综上所述，菲涅尔积分公式是一个重要的公式，用于描述光在两种不同介质之间反射和折射的行为。

它基于光的波动理论，包含反射系数和折射系数两个部分，对于光学设计和工程学领域非常重要。