Вопрос 42. Электромагнитная волна на границе раздела двух диэлектрических сред. Коэффициенты отражения и пропускания.

Законы геометрической оптики

Пусть плоская э/м волна падает на плоскую границу раздела двух однородных прозрачных диэлектриков с показателями преломления n₁ и n₂. Волна в этом случае частично отражается от границы раздела, а частично преломляется и переходит во вторую среду.

• Закон прямолинейного распространения света в однородной среде.

• Закон отражения света: угол отражения α′ равен углу падения α.

• Закон преломления света: (закон Снеллиуса) отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть относительный показатель преломления второй среды к первой n₂₁ или отношение абсолютного показателя преломления второй среды к показателю первой среды, т. е.

sin α / sin β = n₂₁ = n₂ / n₁

• Луч падающий, луч отраженный и луч преломленный лежат в одной плоскости с нормалью к точке падения луча. Общую плоскость называют плоскостью падения.

Отражение и преломление электромагнитной волны на границе раздела двух диэлектриков

Ограничимся рассмотрением нормального падения э/м волны на границу (поверхность) раздела прозрачных диэлектриков с показателями преломления n₁ и n₂. Пусть Е и Н – векторы падающей волны, Е′ и Н′ - векторы отраженной волны, Е′′ и Н′′ - векторы преломленной волны, а k, k′, k′′ - волновые векторы соответствующих волн. Из соображений симметрии следует, что (см. рис.) колебания Е, Е′, Е′′ происходят в одной плоскости (yOx), а колебания Н, Н′, Н′′ - в другой плоскости (zOx). Воспользуемся граничными условиями для тангенциальных составляющих векторов Е и Н, т.е. для Е_τ имеем Е_1y = E_2y, для Н_τ имеем Н_1z = H_2z. Для данного случая, так как в 1-ой среде две волны – падающая и отраженная, а во 2-ой среде – только одна преломленная волна, получаем:

Е_y + E_y′ = E_y′′, H_z + H_z′ = H_z′′ (6)

С учетом того, что Н_z ~ √ε₁^.E_y = n₁^.E_y, H_z′′ ~ n₂^.E_y′′, H_z′ ~ -n₁^.E_y′, получаем второе равенство в (6) в виде:

n₁^.E_y – n₁^.E_y′ = n₂^.E_y′′ или E_y - E_y′ = n₂/n₁^.E_y′′ (7)

Р ешив совместно первое равенство из (6) и последнее (7) получаем соотношения для световых векторов в трех волнах:

(8)

Отсюда следует, что:

1) вектор преломленной волны Е′′ всегда сонаправлен с Е в падающей волне, т.е. оба вектора колеблются синфазно, и при прохождении волны через границу раздела сред фаза не претерпевает скачка;

2) при переходе волны из более плотной в менее плотную среду (n₁ > n₂) вектор отраженной волны Е′ сонаправлен с вектором падающей волны Е, а при переходе волны в более плотную среду (n₁ < n₂) векторы Е′ и Е колеблются в противо-фазе, иначе говоря, при отражении волны от оптически более плотной среды ее фаза изменяется скачком на π.

Коэффициенты отражения и пропускания

В случае нормального падения световой волны на поверхность раздела сред коэффициент отражения по определению есть отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей волны, т. е.: ρ = I′/I, а с учетом того, что I ~ n^.E_m², имеем ρ=n₁^.E_m′²/(n₁^.E_m²) и после подстановки отношения E_m′/E_mиз (8) получаем (9)

Коэффициент пропускания, по определению: (10)

Коэффициенты отражения и пропускания должны подчиняться условию нормировки: ρ + τ = 1. В случае падения волны не по нормали к границе раздела коэффициент пропускания определяется как отношение потока энергии в прошедшей волне к потоку энергии в падающей волне, т.е. τ = Ф′′/Ф