反射光与折射光的能量分布

1.2.5　反射光与折射光的能量分布

如前所述，当入射光波投射到两种均匀透明介质的光滑表面上，一般情况下，被分成折射光波与反射光波，即在折射的同时，伴随着部分反射。反射定律和折射定律所解决的问题是，界面处反射光与折射光应该遵循的方向规律。但是，并未解决反射光与折射光的能量分布规律。为了有助于对两种均匀透明介质的光滑界面上光的传播规律有较全面的理解，这里简要介绍反射光与折射光能量分布规律的主要结论。

根据光的电磁理论，反射光与折射光的能量分布（通常以反射光与入射光的辐射通量之比——反射率R和折射光与入射光的辐射通量之比——透射率T表示。在界面不存在吸收的条件下，根据能量守恒定律，应有T=1－R的关系）取决于入射光的偏振状态、两种介质的折射率以及入射角的大小。当入射光是自然光，并给定界面两边的介质，则反射光与折射光的能量分布主要取决于入射角的大小。图1.12以空气与玻璃界面为例（这是实际光学系统中存在的最大量的情况），用图解的形式表示了在自然光入射的条件下，反射部分能量（以反射率R_n表示）随入射角I的变化规律（玻璃折射率n=1.523）。其中，曲线A是光从空气（光疏介质）进入玻璃（光密介质）时界面处的R_n～I曲线。曲线表明：当I＜45°时，反射率R_n近乎不变，为一常量，就等于垂直入射（I=0）时的反射率值R_n0（根据物理光学，自然光垂直入射时的反射率。若n=1.523，则R_n0≈0.043），表明有约4％的能量被反射；当I＞45°时，随着入射角I逐渐增大到90°，反射率R_n逐渐增大到1。这表明，随入射角的增大，反射光的能量逐渐增大，而折射光的能量逐渐减小；曲线B是光从玻璃（光密介质）进入空气（光疏介质）时界面处的R_n～I曲线。曲线表明：当I＜30°时，R_n=R_n0≈0.043，即反射率为一常数。当I增大到41°时，反射率R_n急剧地上升到1，并且当I＞41°时，恒有R_n=1。这表明入射光全部反射回原介质，没有折射发生，此即发生“全反射”。I=41°即相当于光从n=1.523的玻璃进入空气时，界面发生全反射的“临界角”。以下，对界面处发生“全反射”这种光传播的特殊现象进行研究。

图1.12　反射率随入射角的变化规律（玻璃折射率为1.523）