反射与菲涅尔方程

菲涅尔方程给出了光在界面处反射和透射的比例，是偏振和入射角的函数。

Definition

根据电磁边界条件推导的一系列关系，用于确定光在界面处反射波和透射波的振幅和相位，适用于每种偏振和入射角。

Scope

本主题涵盖光在两种介质边界处的行为。它包括从电磁场边界条件推导振幅反射和透射系数，平行和垂直于入射面的两个偏振分量的不同行为，强度反射率和透射率，反射波完全偏振的布儒斯特角，全内反射及其伴随的倏逝波和相移，以及垂直入射的特殊情况。它将偏振与日常反射现象联系起来。

Core questions

• 光在界面处反射的比例是多少，它如何依赖于角度？
• 为什么两个偏振分量反射不同？
• 什么是布儒斯特角，为什么在那里的反射光是完全偏振的？
• 在全内反射角处及之外会发生什么？

Key concepts

• 菲涅尔方程
• 反射系数
• 透射系数
• 反射率和透射率
• 入射面
• 布儒斯特角
• 全内反射
• 倏逝波

Key theories

菲涅尔反射和透射系数

在界面处应用切向电场和磁场的连续性，可以得到菲涅尔方程，给出平行和垂直偏振的振幅反射和透射系数，它们是入射角和折射率的函数。

布儒斯特角和反射偏振

在布儒斯特角处，平行偏振的反射消失，因此反射光完全是垂直偏振的；这直接来源于菲涅尔方程，并解释了眩光的偏振现象。

Clinical relevance

菲涅尔反射控制着医用光学系统中透镜、光纤和组织界面处的光损耗，从而推动了抗反射涂层和折射率匹配技术的发展，而全内反射则是光纤内窥镜和某些生物传感器的基础。

History

菲涅尔在19世纪20年代早期，根据其光的横波理论推导出了反射和透射公式，解释了马吕斯和布儒斯特观察到的反射偏振变化。麦克斯韦的电磁理论后来从场的边界条件中提供了严格的推导。

Key figures

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

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

为什么水面或路面的眩光是偏振的？

在接近布儒斯特角反射的光，其在入射面内的偏振分量受到强烈抑制，使得反射眩光主要平行于表面偏振，偏振滤光片可以阻挡这种光。

全内反射会损失光到第二介质中吗？

平均而言，没有能量被传输，但场不会在边界处突然停止；倏逝波会穿透第二介质一小部分波长，然后衰减，这在传感和耦合应用中得到了利用。