折射

2021-04-21 16:21:01 浏览:619

定义

一束光从一个介质射向另一个介质时传播方向会发生改变的现象。

图 1 两介质界面处的折射

当光(例如激光光束)从一个透明各向同性介质中进入另一个,其传播方向会发生改变(见图1)。这种现象称为折射。这是由于在两介质边界处,入射光和透射光需要满足边界条件。波矢的切向分量相等,不然在边界处两波的相位差与位置有关,然后波前就不连续了。由于波矢的大小与介质的折射率有关,边界条件只会在某些传播方向上满足。正入射的情况例外,这时波矢在界面上没有分量。

根据以上讨论,可以得到斯涅耳定律:

其中n1和n2是两个介质的折射率。很显然折射率小的介质对应的光束与法线之间的夹角更大。

图2是折射现象的动态图。可以看到右侧介质中波长更短(由于光速变慢),右侧介质折射率大。并且在界面处波前并没有发生变化,只是方向发生了变化。这是由于传播角度发生了变化。

图 2 折射现象的动态图。(这里只能截取静态图)波前由灰色线表示。波前方向的变化来自于右侧介质中光速减小。

补充说明

如果入射光来自于折射率大的介质,并且入射角度比较大,那么并不是所有的出射角度都满足斯涅耳定律,因为出射角的正弦值最大为1。这种情况下不可能得到透射光,发生了全反射。

在非各向同性介质中,折射率与光的偏振方向有关。因此,折射角也与偏振有关。

折射在基础光学和光子学领域经常碰到:

  • 大多数光学透镜中会用到折射。
  • 在棱镜中,需要分离开不同波长成分时,需要采用与波长相关的折射效应。
  • 采用双折射材料也可以得到与偏振有关的角度。这在有些偏振器中会用到。
  • 有时需要采用与折射引起的光束偏移有关的光力。

折射率为负值的光子超材料会产生不寻常的负折射效应。这时折射光与入射光位于法线的同一侧。

参阅:折射率、全反射、光速、菲涅尔方程、棱镜、色散

基础光学

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