【你也能看得懂的电磁场与电磁波系列连载 37】

在上一个连载里面,我们讨论了平行极化波的斜入射,至此,斜入射的讨论我们就接近尾声了,我们重新回顾一下垂直极化波和平行极化波斜入射的公式:
【你也能看得懂的电磁场与电磁波系列连载 37】_第1张图片

下面再看看平行极化波的:
【你也能看得懂的电磁场与电磁波系列连载 37】_第2张图片

OK,下面我们进入今天的正题一——全反射。

我们说,当均匀平面波投向媒质分界面时,若分界面上的反射系数 |R| = 1(即反射波和入射波幅值相等),这种现象我们称之为全反射。

下面我们推导一下到底什么条件下才会发生全反射:

我们还记得折射定律吗? s i n θ i s i n θ t = n 2 n 1 \frac{sinθ_i}{sinθ_t} = \frac{n_2}{n_1} sinθtsinθi=n1n2

n = ω ε μ n = ω\sqrt{εμ} n=ωεμ ,一般来说电磁波的频率是不变的,而如果对于非铁磁媒质,常常有: μ 1 = μ 2 μ_1 = μ_2 μ1=μ2,那么上式就可以变为: s i n θ i s i n θ t = ε 2 ε 1 \frac{sinθ_i}{sinθ_t} = \sqrt{\frac{ε_2}{ε_1}} sinθtsinθi=ε1ε2
如果此时平面波从波密介质入射到波疏介质(即 ε 1 > ε 2 ε_1 > ε_2 ε1>ε2),那么根号那一项始终是小于1的,那么如果此时我们让入射角不断增大,那么将会使得折射角 θ t θ_t θt 趋向于 pi/2。那么,我们下面就看看,当 θ t = π 2 θ_t = \frac{π}{2} θt=2π时会发生什么情况—— 将 θ t θ_t θt 带入本文最开始的式子,得到: R ⊥ = 1 , R / / = 1 R_{⊥} = 1, R_{//} = 1 R=1R//=1
这不就刚好满足全反射的定义吗!

那么,我们就可以把使得折射角等于 pi/2 的入射角解出来,即: θ c = a r c s i n n 2 n 1 θ_c = arcsin\frac{n_2}{n_1} θc=arcsinn1n2
【注:为了使得 arcsin 有意义,需要保证 − 1 < n 2 n 1 < 1 -1< \frac{n_2}{n_1}<1 1<n1n2<1 ,这即是要满足从波密入射到波疏】

因此均匀平面波从光密介质入射到光疏介质时,入射波无论是平行极化波还是垂直极化波,只要其入射角大于临界角 θ c θ_c θc,均会发生全反射现象。

值得注意的是,虽然我们刚刚讨论的情况下, R ⊥ = 1 , R / / = 1 R_{⊥} = 1, R_{//} = 1 R=1R//=1,但是其实, T ⊥ , T / / T_{⊥}, T_{//} T,T// 其实并不等于0,而这种折射波仅仅是在媒质2中靠近界面的一薄层中存在,这确实和理想导体的那种全反射完全不同。

最后,我们一起简单看看什么是全折射,这里我们直接给出结论了:
当平面波从媒质1入射到媒质2时,若反射系数等于0,则电磁 功率全部折射到媒质2中,这种现象称为全折射。

当入射角等于布儒斯特角时,平行极化波将会发生全折射(这里需要特别小心——垂直极化波不会发生全折射),其中,布儒斯特角的形式如下:
【你也能看得懂的电磁场与电磁波系列连载 37】_第3张图片

当然,如果在 μ 1 ≠ μ 2 μ_1 ≠ μ_2 μ1=μ2 的情况下,布儒斯特角就是: θ i = a r c t a n n 2 n 1 θ_i = arctan\frac{n_2}{n_1} θi=arctann1n2

好啦!这就是本次连载的全部内容啦!不知不觉中,我们已经走过了第37个连载,最后一个连载,我打算分享一下这段时间的心路历程吧。

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