菲涅耳反射 Fresnel reflections

2022-11-23 10:41:54 浏览:338

定义

光学接口处的光反射。

当光束(例如激光束)到达两种不同透明介质之间的界面时,它部分透射到另一种介质中,部分反射回原始介质。

没有任何反射的完全传输需要阻抗匹配。 基本上所有光学材料(一些光子超材料除外)都具有相对磁导率μ= 1,在这种情况下,阻抗仅取决于折射率。 因此,这种界面处的光学反射率仅取决于材料的折射率,如果这些折射率相同,则折射率就会消失。

从定量上讲,这种界面处的反射率和透射率可以用菲涅耳方程计算任意入射角。 反射本身称为菲涅耳反射。

对于界面上正常入射的最简单情况,菲涅耳反射率可以用以下公式计算:

菲涅耳反射 Fresnel reflections

菲涅耳反射示例

菲涅耳反射在许多情况下都会发生;一些例子:

  • 当激光束通过单片玻璃的光学窗口时,玻璃的两侧都有反射。 这种界面的典型反射率(如果没有涂层)是百分之几。 对于光束的非垂直入射,可以很容易地看到多个反射:来自两个界面的初级反射,导致两个平行的反射光束,加上与多次光反射相关的其他弱光束。
  • 菲涅耳反射有时会导致寄生激光,例如在光纤放大器和平板激光器中。
  • 在发光二极管(LED)中,菲涅耳反射使得难以有效地提取产生的光;已经开发了特殊的LED设计来克服这个问题。
  • 菲涅耳反射也发生在光纤的末端。 当两根光纤的末端安装在一起(例如在机械接头中),但中间有很小的气隙时,间隙的两侧都有菲涅耳反射。 如果间隙的宽度远低于一个光学波长,它们可以在很大程度上相互抵消,但是对于较大的间隙尺寸,由于相长干涉,有效反射率可能高达单个界面的四倍(见图1)。
  • 介电镜在多个光学界面上利用菲涅耳反射,通常具有这种反射的建设性干涉。
  • 菲涅耳反射对于双折射调谐器的工作原理至关重要。

菲涅耳反射 Fresnel reflections

图1:两根光纤之间气隙处的有效反射率与间隙宽度的关系。反射率可能由于相消性干涉(例如,接近零宽度)而消失,或者因相长干涉而增强。虚线表示单个光纤-空气接口的反射率。

  • 对于某些光纤激光器,光纤端的菲涅耳反射用于闭合激光谐振器。 实际上,这种光纤端用作输出耦合器,反射率通常略低于4%。 相同的技术用于许多激光二极管;在这里,由于半导体材料的高折射率,菲涅耳反射率要大得多。

抑制菲涅耳反射

在光学和激光技术中,菲涅耳反射通常是令人不安的 - 特别是当它们发生在法向入射时,因此反射光束会回到光源并可能产生不利影响,例如对激光的操作。 此外,这种反射会导致不必要的光功率损失。 由于这些原因,人们经常使用或多或少抑制菲涅耳反射的措施来。 以下措施很常见:

  • 可以使用增透膜。 本质上,使用单个或多个涂层可以创建额外的光学界面,使得来自不同界面的菲涅耳反射通过相消干涉相互抵消。 以这种方式实现的抑制通常足以避免光功率的显着损失,但通常仍不足以避免寄生反射对激光操作的不利影响。
  • 寄生反射的有害影响通常只需避免完全正常的入射,就可以避免,因此任何反射光都将在空间上与原始光束分离。 例如,体激光器中的激光晶体通常略微倾斜于激光束,以避免完全正常的入射。激光器的输出耦合器有时由楔形镜基板制成,因此来自背面的寄生反射发生在略有不同的方向上。 纤维末端有时会以很大的角度切割。
  • 通过使用布鲁斯特角的入射角,可以在很大程度上抑制p偏振的任何反射(不使用任何涂层)。 例如,许多棱镜被切割成在两个界面上都有这样的角度。

基础光学

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