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1、平面电磁波的极化反射和折射现在学习的是第1页，共53页6.4.1 平面电磁波的极化形式平面电磁波的极化形式 1.线极化线极化 设设Ey和和Ez同同相相，即即1=2=。为为了了讨讨论论方方便便，在在空空间间任任取取一一固固定定点点x=0，则为，则为 合成电磁波的电场强度矢量的模为 现在学习的是第2页，共53页合成电磁波的电场强度矢量与合成电磁波的电场强度矢量与y轴正向夹角轴正向夹角的正切为的正切为 同同样样的的方方法法可可以以证证明明，z-y=时时，合合成成电电磁磁波波的的电电场场强强度度矢矢量量与与y轴正向的夹角轴正向的夹角的正切为的正切为 这这时时合合成成平平面面电电磁磁波波的的电电场场强强
2、度度矢矢量量E的的矢矢端端轨轨迹迹是是位位于于二二、四四象象限的一条直线，故也称为线极化，如图所示。限的一条直线，故也称为线极化，如图所示。现在学习的是第3页，共53页线极化波 现在学习的是第4页，共53页2.圆极化圆极化 设设 那么式变为那么式变为 消去消去t得得 现在学习的是第5页，共53页圆极化波圆极化波 现在学习的是第6页，共53页 3.椭圆极化椭圆极化 更更一一般般的的情情况况是是Ey和和Ez及及1和和2之之间间为为任任意意关关系系。在在x=0处处，消消去式中的去式中的t，得，得 现在学习的是第7页，共53页椭圆极化椭圆极化 现在学习的是第8页，共53页6.5 平面电磁波的反射与折射
3、平面电磁波的反射与折射 6.5.1 平面电磁波在理想介质分界面上的反射与折射平面电磁波在理想介质分界面上的反射与折射 1.相位匹配条件和斯奈尔定律相位匹配条件和斯奈尔定律 图 6-15 入射线、反射线、透射线 现在学习的是第9页，共53页现在学习的是第10页，共53页因为分界面z=0处两侧电场强度的切向分量应连续，故有 现在学习的是第11页，共53页现在学习的是第12页，共53页对于非磁性媒质，1=2=0，式(6-90)简化为(6-90)现在学习的是第13页，共53页2.反射系数和透射系数反射系数和透射系数 斜入射的均匀平面电磁波，不论何种极化方式，都可以分解为两个正交的线极化波：一个极化方向
4、与入射面垂直，称为垂直极化波；另一个极化方向在入射面内，称为平行极化波。即 因此，只要分别求得这两个分量的反射波和透射波，通过叠加，就可以获得电场强度矢量任意取向的入射波的反射波和透射波。现在学习的是第14页，共53页1)垂直极化波 图 6-16 垂直极化的入射波、反射波和透射波 现在学习的是第15页，共53页考虑到反射定律，反射波的电磁场为 现在学习的是第16页，共53页透射波的电磁场为(6-95)现在学习的是第17页，共53页考虑到折射定律k1sini=k2sint，式(6-95)简化为 解之得(6-96a)(6-97)现在学习的是第18页，共53页若以Ei0除式(6-96a)，则有 对于
5、非磁性媒质，1=2=0，式(6-97)简化为 现在学习的是第19页，共53页 上述反射系数和透射系数公式称为垂直极化波的菲涅耳(A.J.Fresnel)公式。由此可见，垂直入射时，i=t=0，式(6-97)简化为式(6-58)。透射系数总是正值。当12时，由折射定律知，it，反射系数是正值；反之，当12时，反射系数是负值。现在学习的是第20页，共53页2)平行极化波 图 6-17 平行极化的入射波、反射波和透射波 现在学习的是第21页，共53页入射波电磁场：反射波电磁场(已经考虑了反射定律)：现在学习的是第22页，共53页透射波电磁场：应用分界面z=0处场量的边界条件和折射定律有 现在学习的是
6、第23页，共53页解之得反射系数、透射系数：如果i=0，那么r=t=0，故(6-104)现在学习的是第24页，共53页对于非磁性媒质，1=2=0，式(6-104)简化为 现在学习的是第25页，共53页即 由此可见，透射系数T总是正值，反射系数则可正可负。现在学习的是第26页，共53页3.媒质媒质1中的合成电磁波中的合成电磁波(6-107)现在学习的是第27页，共53页相移常数为 相速为 沿z方向，电磁场的每一分量都是传播方向相反、幅度不相等的两个行波之和，电磁场沿z方向的分布为行驻波。它们的相移常数、相速和相应的波长为 现在学习的是第28页，共53页6.8.2 均匀平面电磁波向理想导体的斜入射
7、均匀平面电磁波向理想导体的斜入射 垂直极化的反射系数和透射系数：平行极化的反射系数和透射系数：由此可见，同垂直入射时一样，斜入射电磁波也不能透入理想导体。(6-108a)现在学习的是第29页，共53页 1.垂直极化垂直极化 将式(6-108a)代入式(6-107)，便得经区域2的理想导体表面反射后媒质1(z0)中的合成电磁波：(6-109)现在学习的是第30页，共53页媒质1中的合成电磁波具有下列性质：(1)合成电磁波是沿x方向传播的TE波，相速为 (2)合成电磁波的振幅与z有关，所以为非均匀平面电磁波，即合成电磁波沿z方向的分布是驻波。电场强度的波节点位置离分界面(z=0)的距离，现在学习的
8、是第31页，共53页 (3)坡印廷矢量有两个分量。由式(6-109)可见，坡印廷矢量有x、z两个分量，它们的时间平均值为 现在学习的是第32页，共53页 2.平行极化平行极化 若Ei平行入射面斜入射到理想导体表面，类似于上面垂直极化的分析，我们获知媒质1中的合成电磁波是沿x方向传播的TM波，垂直理想导体表面的z方向合成电磁波仍然是驻波。现在学习的是第33页，共53页例例 6-12 如果定义功率反射系数、功率透射系数为 证明：p+Tp=1即在垂直分界面的方向，入射波、反射波、透射波的平均功率密度满足能量守恒关系。现在学习的是第34页，共53页解：解：不论Ei垂直入射面还是平行入射面，均有 现在学
9、习的是第35页，共53页 将以上三式代入功率反射系数和功率透射系数的定义，并且考虑到 有 和 现在学习的是第36页，共53页6.9 均匀平面电磁波的全透射和全反射均匀平面电磁波的全透射和全反射 图 6-18 斜入射的功率反射系数与透射系数 现在学习的是第37页，共53页6.9.1 全透射全透射 解上式得 此角度称为布儒斯特角(Brewster Angle)，记为B。由式(6-106a)知，此时 现在学习的是第38页，共53页从而 对于垂直极化的斜入射，其反射系数公式(6-99a)表明，=0发生于 现在学习的是第39页，共53页 综上可见，对于非磁性媒质，产生全透射的条件是：均匀平面电磁波平行极
10、化斜入射；入射角等于布儒斯特角，即i=B。所以，任意极化的电磁波以布儒斯特角斜入射到两非磁性媒质的分界面时，入射波中Ei平行于入射面的部分将全部透入媒质2，仅垂直入射面的另一部分入射波被分界面反射，故反射波是Ei垂直入射面的线极化波。显然，如果圆极化波以布儒斯特角斜入射时，其反射波和透射波均为线极化波。光学中通常利用这种原理来实现极化滤波。现在学习的是第40页，共53页6.9.2 全反射全反射 均匀平面电磁波斜入射时的反射系数、透射系数不仅与媒质特性有关，而且依赖于入射波的极化形式和入射角。在一定条件下会产生全反射现象。当反射系数的模|=1时，功率反射系数p=|2=1，此时垂直于分界面的平均功
11、率全部被反射回媒质1，这种现象称为全反射。对于非磁性媒质，现在学习的是第41页，共53页 综上可见，对于非磁性媒质，斜入射的均匀平面电磁波产生全反射的条件是：入射波自媒质1向媒质2斜入射，且2c时，由折射定律知，现在学习的是第42页，共53页显然不存在t的实数解。此时有 为虚数。令cost=-j，则发生全反射时的反射系数与透射系数公式可重写为 现在学习的是第43页，共53页发生全反射后，媒质2中的透射波电场强度为 表面波的相速为 现在学习的是第44页，共53页图 6-19 全反射时的透射波等相位面及等振幅面 现在学习的是第45页，共53页因全反射条件下，ci90，故 发生全反射时，媒质2中透射
12、波的平均功率流密度(坡印廷矢量的时间平均值)为 现在学习的是第46页，共53页现在学习的是第47页，共53页 可见，媒质2中沿分界面法向z透射波的平均功率流密度为零，即无实功率传输；沿分界面方向x透射波的平均功率流密度为 媒质2中的透射波随z按指数衰减，但是与欧姆损耗引起的衰减不同，沿z方向没有能量损耗。现在学习的是第48页，共53页 例例 6-13 真空中波长为1.5m的远红外电磁波以75的入射角从r=1.5、r=1的媒质斜入射到空气中，求空气界面上的电场强度与距离空气界面一个波长处的电场强度之比。解：解：现在学习的是第49页，共53页 例例 6-14 图6-20表示光纤(Optical F
13、iber)的剖面，其中光纤芯线的折射率为n1，包层的折射率为n2，且n1n2。这里采用平面波的反、折射理论来分析光纤传输光通信信号的基本原理。设光束从折射率为n0的媒质斜入射进入光纤，若在芯线与包层的分界面上发生全反射，则可使光束按图6-20所示的方式沿光纤轴向传播。现给定n1和n2，试确定能在光纤中产生全反射的进入角。现在学习的是第50页，共53页图 6-20 光纤示意图 现在学习的是第51页，共53页解：解：由折射定律知，现在学习的是第52页，共53页若n0=1，即光束从空气进入光纤，则有 假设n1=1.5,n2=1.48，则有 所以在上述条件下，只要光束进入角小于14.13，光束即可被光纤“俘获”，由多重全反射而在其中传播。现在学习的是第53页，共53页