反射、折射和色散

在界面处，电磁波根据菲涅尔方程发生反射和折射，并且在介质中，其速度随频率变化，导致色散。

Definition

研究电磁波如何在界面处分裂成反射部分和透射部分，这受场连续性的支配，以及波速和折射率如何依赖于频率，从而产生色散以及相速度和群速度的分离。

Scope

本主题涵盖电磁波在介质边界处的行为：反射和折射定律（斯涅尔定律）、用于幅度和强度的菲涅尔方程、布儒斯特角和全内反射，以及折射率的频率依赖性（色散）及其相关的相速度和群速度以及吸收。它将界面的宏观光学与电磁边界条件联系起来。

Core questions

• 反射波和折射波的方向和振幅是如何确定的？
• 什么是布儒斯特角和全内反射？
• 为什么折射率取决于频率，什么是色散？

Key concepts

• 斯涅尔定律
• 菲涅尔方程
• 布儒斯特角
• 全内反射
• 折射率
• 色散
• 相速度
• 群速度

Key theories

菲涅尔方程和斯涅尔定律

通过匹配界面处的场，可以得到折射角的斯涅尔定律和反射及透射振幅的菲涅尔方程，包括布儒斯特角等偏振相关效应。

色散和频率相关的折射率

由于介质的响应取决于频率，折射率和波速随频率变化，从而分离相速度和群速度，并产生色散和频率相关的吸收。

Clinical relevance

这些原理支配着透镜、棱镜、减反射涂层、依赖全内反射的光纤、通信中的色散管理以及科学和医学中使用的光谱分析。

History

斯涅尔折射定律确立于十七世纪，菲涅尔在19世纪20年代从波动理论推导出了振幅关系。布儒斯特确定了偏振角，一旦介质响应的频率依赖性被理解，色散就得到了电磁学解释。

Key figures

• Augustin-Jean Fresnel
• Willebrord Snellius
• David Brewster

Seminal works

• born1999
• jackson1998

Frequently asked questions

为什么棱镜会将白光分解成各种颜色？

玻璃的折射率随频率（色散）变化，因此不同颜色的光在棱镜表面以不同的角度折射，并沿分离的路径出射。

什么是全内反射？

当波从密度较大的介质传播到密度较小的介质，并且入射角超过临界角时，没有光被透射，所有光都被反射；这使得光被限制在光纤中。