第6章均匀平面波的反射与透射ppt课件.ppt
第6章 均匀平面波的反射与透射,6.1 均匀平面波对介质分界面的垂直入射,细分为三种情形：,1. 对一般导电介质分界面的垂直入射,设左右半空间充满两种均匀导电介质，介质参数如图所示。并设入射波沿z方向传播，沿x方向极化，则,入射波：,反射波：,介质1中的合成场,透射波：,介质2中的场,分界面上(z=0)，场的切向分量应连续，即,定义：,振幅反射系数,振幅透射系数,振幅反射系数 和振幅透射系数之间满足关系,讨论：, 一般情况下，本征阻抗1c和2c为复数，故 和一般也是复数，这表明界面上的反射、透射和入射波之间存在相位差(附加相移)。, 当介质1和2为理想介质时，本征阻抗1c和2c为实数，则 和也是实数，透射波无附加相移，但反射波要视情形而定：,(a) 若2c 1c，则界面上(z=0)反射系数 0，反射波无附加相移；,(b) 若2c n1)，则界面上(z=0)反射系数 0，反射波相移为，即界面处存在“半波损失”现象。,2. 对理想导体平面的垂直入射,介质1： 1=0 理想介质介质2： 2= 理想导体,入射波：,反射波：,介质1中的合成场,介质1中的合成场的瞬时值,电场强度的振幅,最大值2Eim，其位置,最小值0，其位置,(驻波波节),(驻波波腹),磁场强度的振幅,介质1中合成波的平均Poynting矢量：,可见，驻波不传输电磁能量。,(V/m),解： (1),(2) 入射波：,反射波：,z0区域的电场：,z0区域的磁场：,(3) 理想导体表面的电流密度：,瞬时值 ：,4*. 介质分界面上电磁能量的反射和透射,界面上入射波的平均功率密度：,若为理想介质，1=0， 1c= 1为实数。,界面上反射波的平均功率密度：,(能量反向流动),界面上透射波的平均功率密度：,定义功率反射系数 R,定义功率透射系数 T,由于能量守恒，有,6.2 均匀平面波对理想介质分界面的斜入射,平行极化波,指入射波电场平行于入射面。,也称P波或P分量（E的方向平行入射面）；因其磁场H只有y分量，又常称为TM波（叙述方便，文献中常出现，不严格）。,垂直极化波,指入射波电场垂直于入射面。,对于电场矢量与入射面成任意角度的入射波总可以分解为垂直极化和平行极化的两分量。,也称S波或S分量（E的方向垂直入射面）；因其电场E只有y分量，又常称为TE波（叙述方便，文献中常出现，不严格）。,设z0空间分别为两个半无限理想介质。设入、反、透射三波的传播方向的单位矢量分别为,2. 斜入射的波场分析,入射波的电场和磁场,反射波的电场和磁场,透射波的电场和磁场,3. Snell 定理,根据边界条件，在z=0的分界面上，电场的切向分量应连续，故有,由相位匹配条件得到,（Snell反射定律）,4. 反射系数和透射系数,一般情况下，反射系数和透射系数与入射波的极化状态有关。而一个斜入射的均匀平面波，不论何种极化方式，都可以分解为两个正交的线极化波：垂直极化波和平行极化波。,垂直极化波,磁场的切向分量应连续，故有,根据边界条件，在z=0的分界面上，电场和,即,、分别为垂直极化波的反射和透射系数。,解之得,- 垂直极化波的 Fresnel公式,上式可以过渡到垂直入射的情况 (i=t= 0)。,对于非磁性媒质，12 0, 上式变为,(利用了 以及折射定律。),以及,由此可见，透射系数总是正值，入、透射波总同相。当12时，由折射定律知，it，反射系数是正值，入、反射波同相；反之，当12时，反射系数是负值，入、反射波反相，出现“半波损失”现象。,平行极化波,反射和透射系数满足：,对于非磁性媒质，12 0，,由此可见，透射系数T总是正值，反射系数则可正可负。,通过前面的分析可知，对于非磁性介质，不论是垂直极化还是平行极化的斜入射，透射系数总是正值，而反射系数则可正也可负。因此，如果反射系数为零，则电磁波功率将全部透入介质2中，产生全透射现象；如果反射系数的模|=1时，功率反射系数R=|2=1，此时电磁功率全部被反射回介质1，这种现象称为全反射。,5. 全反射和全透射,全反射,此时,反射系数成为复数，但其模仍然为1，即,产生全反射现象。(1)式确定的角度c称为临界角(Critical Angle)，而且(1)式成立的前提是 2 1。,全反射的条件：, 电磁波从波密介质1入射到波疏介质2，即 2 1, 入射角等于或大于临界角，即,全反射中透射波的性质：,发生全反射后，媒质2中的透射波电场强度为,表明： 全反射时，透射波仍然存在且沿分界面方向传播(+x传播)，但其振幅在垂直界面方向上(即介质2的深度方向)按指数规律衰减，因此透射波只存在于界面附近，这种波称为表面波或称隐失波、倏逝波(evanescent wave) 。,可以证明，进入介质2平均能流密度为零，即没有能量进入介质2；利用这个原理制做介质光波导，例如光纤。,在全反射条件下，界面相当于一个势垒，光子在界面法线方向之动量减少，能量小于势垒。作为经典粒子是不可能穿越势垒的。但光子具有波动性，可穿越势垒，隐失波又称光子隧穿效应（photonic tunneling effects）,如何解释全反射条件下，透射介质中隐失波的存在？,光纤通信和集成光波导中的光波耦合问题，必需研究光子隧穿效应；,全透射,先考虑平行极化，对于非磁性介质，令反射系数/=0，得到,解上式得,此角度称为布儒斯特角(Brewster Angle)，记为B。由式,从而,对于非磁性介质中的垂直极化波，令其反射系数为0：,因此垂直极化波斜入射到两种介质分界面时，不产生全透射现象。,- 极化滤波,TE波或S波,P,S,6.3 均匀平面波对理想导体平面的斜入射,将介质2替换成理想导体(2=0)之后，分析方法和6.2节相同。,
