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应用光学007---光路可逆和全反射

2021-12-20 10:42| 发布者：Davis| 查看：430| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了光路可逆和全反射原理，以及在光学仪器、光纤传输和介质折射率测量等方面的应用。包括反射棱镜、光学纤维传输和测量介质折射率的阿贝折射率和普氏折射率。同时解释了折射定律、反射定律和临界角的概念。

一． 光路可逆

假定某一条光线沿着一定的路线由A传播到B，如果在B点沿着出射光线按照相反的方向投射一条光线，则此反向光线仍沿着此同一条路线由B传播到A。光线传播的这种性质，叫作“光路可逆定理”。

根据该定理，当研究光线传播或光学设计时，既可以按实际光线进行的方向来研究或设计，也可以按与实际光线相反的方向进行研究或设计，二者的结果是完全相同的。

对于反射和折射现象，在均匀折射率介质和非均匀折射率介质、简单光学系统和复杂光学系统中，光路可逆均是成立的。

二． 分界面上反射光和折射光的能量分布

入射光投射到两均匀透明介质的分界面上时，如果分界面为理想光滑表面，则分成折射光和反射光，即折射的同时伴随着部分反射。

折射定律和反射定律只能解决反射光和折射光所遵循的方向的问题，而不能说明能量的分布。后者是物理光学中所要解决的问题。

根据光的电磁理论，反射光和折射光的能量分布通常采用反射率R和透过率T表示：

在不存在吸收和其他损失的理想条件下，有

T和R的能量分布取决于入射光的偏振态、两种介质的折射率以及入射角的大小。当入射光为自然光，并给定界面两边的介质时，则反射光和折射光的能量分布主要取决于入射角的大小。

图1：自然光入射在空气和玻璃的分界面时，反射能量(R和折射能量(T)的变化规律

图1表示在自然光入射在空气和玻璃的分界面时，反射能量(以R表示)和折射能量(以T表示)的变化规律。

已知玻璃折射率n=1.523，其中，曲线A是自然光从空气进入玻璃(由光疏介质进入光密介质)时，分界面处的反射率R_n和入射角I的关系曲线。曲线A表明，当I＜45°时，反射率R_n近似于常量，近似于垂直入射(I=0°)时的反射率值R_n0，按物理光学自然光垂直入射(I=0°)时的反射率为：

若n=1.523，则R_n0≈0.043，即约有4%的能量被反射。当I＜45°时，随着入射角I的增大，反射率R_n也增大；当I=90°时，R_n=1，表明入射角增大,反射率增大，折射光的能量逐渐变小。

曲线B是由玻璃进入空气(由光密介质进入光疏介质)时，分界面处的反射率R_n和入射角I的关系曲线。当I<45°时，R_n≈R_n0≈0.043，反射率近似于一个常数；

当Ⅰ增大到41°时，反射率急剧上升到近似于1的值；

当I＞41°时，R_n=1，表明入射光线全部反射回原介质，没有折射发生，即所谓的“全反射”。

三． 全反射

当光线的入射角Ⅰ大于某值时，两种介质的分界面把入射光全部反射回原介质中去，这种现象称为“全反射”或“完全内反射”。

产生全反射的条件有：入射光由光密介质进入光疏介质；入射角必须大于一定的角度，按折射定律，当折射角I`=90°,有

上式中，I_m为临界角，此时折射光线沿分界面掠射。若入射角Ⅰ大于临界角I_m时，折射定律已不适用。

实验证明，此时光线不发生折射，而按反射定律把光线完全反射回原介质中。

图2：全反射示意图

如果光线由玻璃射入空气，当玻璃的折射率n=1.523时，则临界角I_m约为41°。这和在反射光和折射光的能量分布结果是一致的。

四． 全反射的应用

1. 反射棱镜

在实际应用中，全反射常优于一般镜面反射，因为镜面的金属镀层对光有吸收作用，而全反射在理论上可使入射光全部反射回原介质。因此，全反射现象在光学仪器中有着重要的应用。例如，为了转折光路常用反射棱镜取代平面反射镜，如图3示意图。

图3：直角反射棱镜示意图

2. 光纤

传光和传像的光学纤维也是利用了全反射原理。光纤将低折射率的包层包在高折射率纤芯的外面,如图4示意图。

图4：光纤示意图

3. 测量介质折射率

玻璃的折射率不同，由玻璃到空气对应的临界角也不同。

常用的阿贝折射率和普氏折射率就是利用测量临界角I_m的原理研制的。

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