Phản xạ và các phương trình Fresnel

Các phương trình Fresnel cho biết tỷ lệ ánh sáng phản xạ và truyền qua tại một giao diện, tùy thuộc vào sự phân cực và góc tới.

Definition

Tập hợp các mối quan hệ, được dẫn xuất từ các điều kiện biên điện từ, xác định biên độ và pha của sóng phản xạ và truyền qua tại một giao diện cho mỗi sự phân cực và góc tới.

Scope

Chủ đề này đề cập đến những gì xảy ra với ánh sáng tại ranh giới giữa hai môi trường. Nó bao gồm việc dẫn xuất các hệ số phản xạ và truyền biên độ từ các điều kiện biên trên trường điện từ, hành vi riêng biệt của hai thành phần phân cực song song và vuông góc với mặt phẳng tới, độ phản xạ và độ truyền qua theo cường độ, góc Brewster mà tại đó sóng phản xạ được phân cực hoàn toàn, phản xạ toàn phần bên trong và sóng tắt dần đi kèm cùng sự dịch pha, và trường hợp đặc biệt của sự tới vuông góc. Nó kết nối sự phân cực với các hiện tượng phản xạ hàng ngày.

Core questions

• Tỷ lệ ánh sáng phản xạ tại một giao diện là bao nhiêu và nó phụ thuộc vào góc như thế nào?
• Tại sao hai thành phần phân cực lại phản xạ khác nhau?
• Góc Brewster là gì và tại sao ánh sáng phản xạ tại đó lại được phân cực hoàn toàn?
• Điều gì xảy ra tại và vượt quá góc phản xạ toàn phần bên trong?

Key concepts

• phương trình Fresnel
• hệ số phản xạ
• hệ số truyền qua
• độ phản xạ và độ truyền qua
• mặt phẳng tới
• góc Brewster
• phản xạ toàn phần bên trong
• sóng tắt dần

Key theories

Các hệ số phản xạ và truyền qua Fresnel

Áp dụng tính liên tục của các trường điện và từ tiếp tuyến tại một giao diện sẽ cho ra các phương trình Fresnel, cung cấp các hệ số phản xạ và truyền biên độ cho các phân cực song song và vuông góc dưới dạng hàm của góc tới và các chỉ số khúc xạ.

Góc Brewster và sự phân cực khi phản xạ

Tại góc Brewster, sự phản xạ phân cực song song biến mất, do đó ánh sáng phản xạ hoàn toàn được phân cực vuông góc; điều này trực tiếp suy ra từ các phương trình Fresnel và giải thích sự phân cực của ánh sáng chói.

Clinical relevance

Phản xạ Fresnel chi phối lượng ánh sáng bị mất tại các bề mặt thấu kính, sợi quang và giao diện mô trong các hệ thống quang học y tế, thúc đẩy việc sử dụng các lớp phủ chống phản xạ và khớp chỉ số khúc xạ, trong khi phản xạ toàn phần bên trong là nguyên lý cơ bản của các ống nội soi sợi quang và một số cảm biến sinh học.

History

Fresnel đã dẫn xuất các công thức phản xạ và truyền qua của mình vào đầu những năm 1820 từ lý thuyết sóng ngang của ánh sáng, giải thích những thay đổi phân cực mà Malus và Brewster đã quan sát được khi phản xạ. Lý thuyết điện từ của Maxwell sau đó đã cung cấp sự dẫn xuất chặt chẽ từ các điều kiện biên trên các trường.

Key figures

• Augustin-Jean Fresnel
• David Brewster
• James Clerk Maxwell

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

Tại sao ánh sáng chói từ nước hoặc đường lại bị phân cực?

Ánh sáng phản xạ gần góc Brewster bị triệt tiêu mạnh đối với sự phân cực trong mặt phẳng tới, khiến ánh sáng chói phản xạ chủ yếu được phân cực song song với bề mặt, sau đó các bộ lọc phân cực có thể chặn được.

Phản xạ toàn phần bên trong có làm mất ánh sáng vào môi trường thứ hai không?

Trung bình không có năng lượng nào được truyền đi, nhưng trường không dừng đột ngột tại ranh giới; một sóng tắt dần xuyên qua một phần của bước sóng vào môi trường thứ hai trước khi suy giảm, điều này được khai thác trong các ứng dụng cảm biến và ghép nối.