利用光的全反射原理分析蜃景现象

光在均匀介质中是沿直线传播的,如果光介质的密度发生改变时,光路将随着发生改变．光线从光密介质射向光疏介质时,随着入射角的不断增大,折射角也不断地增大,并且折射光线的强度在减弱,反射光线的强度在增强如果介质的折射率为n．     

基于传输矩阵法讨论光疏介质表面的全反射

探究了光在光密介质与超薄光疏介质界面处的全反射,通过在光密介质中嵌入一光疏介质薄层,利用传输矩阵法,定量地分析了入射角度以及光疏介质的厚度对反射率的影响.数值模拟结果表明,当光疏介质的厚度小于约一个波长时,即使入射角大于全反射的临界角,反射率也不一定会达到1,也就是说,光学隧道效应将会出现.     

全反射现象及其在集成光学中的应用

当光从光密介质ｎｌ射向光疏介质ｎ２（ｎ１＞ｎ２）,入射角θ１。逐渐增大到临界角θｃ＝ａｒｃｓｉｎｎ２／ｎ１时,继续增大θｌ,使θ１＞θｃ,光线将全部被反射回入射光所在的介质,此时,光疏介质中完全没有折射光产生．这就是我们所熟知的光的全反射现象．全反射是一种普通常见的光学现象．由于全反射时,入射光的全部能量完全被反射而没有折射损失,所以许多光学仪器都利用全反射来改变光线的传播方向和使象倒转;在?...     

折射率梯度引起反转的光自旋霍尔效应研究

从经典电动力学出发,研究了由折射率梯度导致的反转光自旋霍尔效应。通过分析光从光疏介质入射到光密介质和从光密介质入射到光疏介质两种情况,揭示了光自旋霍尔效应中的横移与偏振态、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系。当入射角一定时,光从光疏介质入射到光密介质时的水平偏振横移绝对值大于垂直偏振横移,而从光密介质入射到光疏介质的情况正好与之相反,并且传输场的横移方向取决于折射率梯度方向,增大入射角能明显增强光自旋霍尔效应,对某一特定的线偏振光束,其左、右旋圆偏振光分量的横移等值反向。这些研究结果为调控光自旋霍尔效应提供了有效途径。     

单轴晶体和各向同性介质交界面上e光光线的折射

根据光在各向异性介质中遵从的Ｆｅｒｍａｔ 原理,较系统地讨论了单轴晶体和各向同性介质交界面上的ｅ 光（ 非常光） 光线的折射,得到了光轴在任意取向情况下的折射基本公式。同时给出一般情况下确定ｅ 光线折射角的具体解。在此基础上对几种特殊的光轴取向给予了较详细的讨论。最后讨论了ｅ 光线的折射公式与ｅ 光波法线的折射定律的等价性,从而说明Ｆｅｒｍａｔ 原理与光的电磁波理论存在内在的一致性。     

菲涅尔公式讨论光波反射和折射时振幅的变化

光波在两种均匀各向同性媒质界面上发生反射和折射时,入射波、反射波、折射波的振幅、位相、能流密度等,均可以用电磁波理论中的菲涅尔公式给予分析.利用菲涅尔公式,讨论了光波由光疏介质进入光密介质和由光密介质进入光疏介质两种情况下,反射光和折射光的振幅变化,发现当光从光密介质进入光疏介质时,振幅变大,即振幅不满足"能量守恒"的...     

相对折射率大小与光的偏折程度的关系

当光线从一种介质射入另一中介质时，光的传播方向将发生变化，这就是光的折射现象，如图1所示，过入射点O，且垂直于两种介质分界面的直线NN′叫做法线，入射线AO与法线NN′的夹角α叫做入射角，     

气泡的远场干涉分析及应用

提出了一种分析气泡远场干涉的理论模型。平行激光束照射到透明介质中的气泡上,折射光束与全反射光束在远场发生干涉形成内密外疏圆环状干涉条纹,推求了两平行出射光线的光程差公式和两光线之间的距离公式,分析了圆环状干涉条纹内密外疏的原因,给出了计算干涉条纹存在区域和最高干涉级的方法。通过干涉方法可以测量气泡的直径,能够用于介质深处气泡尺寸的测量。利用远场干涉对玻璃水箱、平板玻璃、玻璃棱镜中的气泡直径进行了测量,其中玻璃棱镜中气泡直径测量结果与用阿贝比长仪测量结果对比,相对差为0.9%。预期了气泡远场干涉在运动气泡尺寸、泡内气体折射率、透明光疏介质中光密介质球尺寸测量等方面的应用。     

双曲色散型单轴左手介质中的折射

研究了横磁波在各向同性右手介质和双曲色散型单轴左手介质界面处波矢和能流的折射。计算发现,当入射角在很大范围内变化时,波矢的折射角和能流的折射角几乎不变。调节光轴角可使波矢折射角和能流折射角随入射角变化不敏感的现象更明显,经分析计算给出光轴角的调节范围。这一现象是由双曲色散型单轴左手介质的各向异性及负的主折射率引起的,可以用来实现光束准直、光束整合、光束压缩以及方便的光束耦合。如果光从双曲色散型单轴左手介质向各向同性右手介质入射,还能实现超棱镜(superprism)现象。计算了横磁波穿越界面时的透过率,证实双曲色散型单轴左手介质可能实现上述应用。     

超常介质中光轴任意取向时电磁波传播的反常现象研究

当电磁波的传输轴和各向异性超常介质的光轴成任意夹角时,发现在界面处可以产生反常全向全反射和反常负折射现象.导出了电磁波的入射角和能流折射角之间的函数关系,根据此关系可方便地选择合适的介电张量和磁导率张量,使特定入射角所对应的折射是正或是负.此外,发现当入射角小于某一角度时,尤其在垂直入射附近时,透射率最小甚至为零;基于这一特性,提出了一种新型的薄片型高通空间滤波器的构想,和传统的空间滤波系统相比,可以大大减少滤波系统的体积;这一特性也可用于构造空间低频反射器件. 关键词： 超常介质 各向异性 反常传播 空间滤波     

单轴晶体的光程差和Lyot型滤光器的视场

 建立了以光线入射方向和晶体光轴方向为基准的入射坐标系，利用波法线反曲面方程和电磁场在晶体折射界面处切向分量连续性的边界条件，得到了晶体中波法线方向、射线方向、波法线折射率和射线折射率的表达式。从非常光的射线方向和射线折射率出发，得到了在任意的晶体光轴方向和入射角条件下，光通过单轴晶体后寻常光、非常光的光程差表达式。对Lyot型滤光单元的透射率和视场进行了计算分析后发现，滤光单元的透射率随光线入射角的变化呈现一定的周期性，视场随光轴倾角的增大而减小。得出了透射率和视场随光轴倾角(光轴与晶体表面的夹角)和光线入射角(光线在晶体表面的入射角)的变化规律。讨论了通过改变晶体倾角实现滤光器调谐和补偿晶体厚度加工误差等技术问题。     

光在光轴取向任意条件下的晶体表面透射率

为了分析一束光在晶体表面的能量损失以及两束折射光的能量比,给出了一种求解反射率和透射率的方法。讨论了光从各向同性介质入射到单轴晶体表面时的折射和反射,注意到了e光线与e光波方向的不同,e光折射率与e光波法线折射率的不同,得出了在界面处应该满足的边界方程。在晶体光轴取向任意的条件下,给出了表明各光束间能量关系的折射率和反射率的理论表达式,为晶体器件特性的研究提供了有力的理论工具。数值模拟表明:得到的结果满足能量守恒;反射到各向同性介质中的光的电场(或磁场)与原入射光的电场(或磁场)不再平行;光轴的取向和入射角的大小对折射的o光、e光的能量比有很大的影响。     

玻璃表面缺陷单面成像

为解决薄玻璃等透明介质表面缺陷检测中上下表面检测区分困难的问题,提出一种基于菲涅尔公式的玻璃表面单面成像方法。方法利用线偏振光经过反射和折射后偏振特性的变化规律,优化入射光的入射角和偏振方向使上下表面成像光的偏振方向接近正交,再利用偏振片的滤光特性选择所需光线成像。通过理论计算和仿真分析得出入射光的最佳入射角和振动方位角,在分光计上进行实验验证,并设置评价函数对不同入射角所成像进行评估。实验证明,方法能够有效消除透明介质上下表面中其中任意一面的反射光线,实现单面选择成像。经过评价函数评价分析认为入射角较小的情况下成像效果较好。该方法简单可靠,不会损害检测样品,容易投入实际生产。     

非均匀折射率场中光传输现象研究

海市蜃楼是一种非常有趣的光学现象,其本质是由于光在非均匀折射率介质中传输时发生的折射和全反射现象。本文基于费马原理与拉格朗日方程在理论上推导出了光在非均匀折射场的传输方程。然后通过数值模拟成功复现了光在非均匀折射场中传输的图像与相应蜃景图像。最后,通过实验研究了不同入射角度下光线传输规律和海市蜃景现象,实验结果与理论符合较好,验证了上述理论分析的正确性。     

平面分步透镜的原理和它在太阳能利用中的应用

一、概述平面分步透镜又叫“菲涅尔透镜”,是按菲涅尔原理用普通玻璃或透明塑料浇铸或压延而成．与旋转抛物面聚光镜等常用的太阳能设备比较,它加工容易,成本较低,是太阳能利用中一种有潜力的集光装置．二、平面分步透镜的光学原理光线通过三棱镜,两次透过分界面ＰＡ、ＰＢ（见图１）,α１、α２分别表示入射角,Υ１、Υ２分别表示折射角,表示棱镜顶角,　表示光线偏向角,由几何光学原理知：顶角　很小的棱镜叫薄棱镜?...     

一道光学高考题的三种解法

2011年新课标卷全国高考理科综合能力测试物理试题中,有一道选考的光学题.它考查的是关于光学中的折射角和折射率问题,而考生普遍反映本题的折射角求解较难,因此,笔者通过思考与探究,找出了它的三种解法.【题目】一半圆柱形透明物体横截面如图所示,地面AOB镀银(图中粗线),O表示半圆截面的圆心.一束光线在横截面内从M点入射,经过AB面反射后从点射出已知光线在点的入射角为     

边界效应的相互作用及透射光束的反向Goos-Hanchen位移

根据Goos-Hanchen (G-H)位移的定义［1，2］，入射角为θ的TE光束通过空气中厚度为a、折射率为n的光密介质板时，透射光束的G-H位移为Δy=(2kya)/(kx) (k2x(k2x+k′2x)/k40)/(4k2xk′2x/k40+sin2k′xa)-(ky)/(kxk′x) (sin2k′xa)/(4k2xk′2x/k40+sin2k′xa)(1)其中kx、k′x分别为光束在空气和介质板中的波矢量在垂直于介质板方向上的分量，ky为光束的波矢量在平行于介质板方向上的分量，k20=k′2x-k2x。式(1)给出的光束的G-H位移不同于折射定律给的结果atanθ′，这里θ′由折射定律决定nsinθ′=sinθ。由式(1)可见，透射光束的G-H位移为负的充分条件是k2x(k2x+k′2x)/k40sin2k′xa/2k′xa,这就要求k′xa比较小，即介质板的厚度比较小。G-H位移为负说明在这种情况下，光密介质板的等效折射率为负，这个现象有点类似于Shelby等人最近发现的负折射率现象［3］。当介质板的厚度很大时，式(1)的第二项与第一项相比可以忽略不计，此时G-H位移大于零。可见G-H位移为负是介质板的两个边界共同作用并相互影响的结果。但这时的G-H位移与折射定律给出的结果还是不同的。值得指出的是，对于具有一定发散角的光束而言，式(1)的第一项的第二个因子和第二项的本身是入射角的函数，从而是k′xa的周期函数，当玻璃板的厚度较大时，对这些周期函数在一个周期内平均可得<Δy>atanθ′，这正是由折射定律求得的结果。     

干涉光谱仪中棱镜的分光特性

对光波在Wollaston棱镜中的传播特性进行了深入的分析,得出了关于光波法线和光线的折射方向、折射率的解析表达式。对不同入射位置和不同入射角下o光与e光之间的光程差进行了计算机模拟,给出了相应的关系曲线。结果表明光程差与入射位置关系具有很好的线性,在切割角不太大的条件下光程差与入射角的关系也具有较好的线性。为双折射型空间调制干涉光谱仪的设计和应用提供了理论依据。     

邮票上的物理学史——应用光学和光学的应用

在牛顿之后的一个多世纪里,光学的应用也有很大的进展．这首先是各种光学仪器的出现,特别是望远镜和显微镜的问世．１７世纪的荷兰,磨镜片工艺十分发达,例如,著名的哲学家斯宾诺莎（１６３２～１６７７年）便以磨镜片为生．在此基础上,荷兰莱顿大学的教授斯涅耳（１５９１～１６２６年）于１６２１年通过实验发现了光线折射的基本定律：入射角和折射角的余割（正弦的倒数）之比是一常数．不过他没有公开发表,后来惠更斯在《光折射》一书中提到才引起人们注意．长期定居荷兰的笛卡儿,通过数学推导,假设光粒子从一种媒质进入另一种媒…     

光在非均匀介质中传播规律的演示

光在介质中的传播规律遵循费马原理,如：在均匀介质中,光沿直线传播．在非均匀介质中,光的传播轨迹比较复杂,与非均匀介质的状态有密切关系．尽管海市蜃楼和沙漠幻影是大自然中能够看到的光在非均匀介质中的传播现象,但只有在一定条件下才能出现,不是随时可以看到的．为了能在光学教学中让学生能够看到光在非均匀介质中的传播,本文利用白糖溶液和水之间扩散形成的浓度非均匀区域,实现了光线的非直线传播．通过光线实际传播的路径,计算了非均匀区域液体折射率的相对变化．这一演示实验取材简单,容易实现,对学生思维训练具有一定的借鉴意义．