湖南科技大学111

i湖南科技大学毕业设计（论文）题目菲涅尔公式的推导与应用作者黄轶熙学院物理与电子科学学院专业物理学学号1208010107指导教师姜春蕾二〇一六年五月一日ii湖南科技大学毕业设计（论文）任务书物理与电子科学学院院光信息学科与技术系（教研室）系（教研室）主任:（签名）年月日学生姓名:黄轶熙学号:1208010107专业:物理学1设计（论文）题目及专题：菲涅尔公式的推导与应用2学生设计（论文）时间：自年月日开始至年月日止3设计（论文）所用资源和参考资料：4设计（论文）应完成的主要内容：5提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：论文6发题时间：年月日指导教师：（签名）学生：（签名）iii湖南科技大学毕业设计（论文）指导人评语[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]指导人：（签名）年月日指导人评定成绩：iv湖南科技大学毕业设计（论文）评阅人评语[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]评阅人：（签名）年月日评阅人评定成绩：v湖南科技大学毕业设计（论文）答辩记录日期：学生：学号：班级：题目：提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1设计（论文）说明书共页2设计（论文）图纸共页3指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]答辩委员会主任：（签名）委员：（签名）（签名）（签名）（签名）答辩成绩：总评成绩：vi摘要菲涅尔公式是光学中的一个公式。它在描述电磁波在不同介质分界面上的反射与折射现象有着至关重要的作用。本文将在理论上推导菲涅尔公式，并在随后的章节中详细讨论菲涅尔公式的应用，譬如全反射、半波损失、布儒斯特定律及其相关应用。关键词：光的电磁理论；菲涅尔公式；半波损失；全反射viiABSTRACTFresnelformulaisaformulaofoptics.Itinthedescriptionoftheelectromagneticwaveindifferentmediumboundarysurfacereflectionandrefractionphenomenonhasavitalrole.ThisarticlewillFresnelformulaisderivedintheoryandinapplicationofFresnelformulaarediscussedindetailinlaterchapters,suchastotalreflection,halfwaveloss,Confucianism,specificlawandrelatedapplications.Keywords:Theelectromagnetictheoryoflight；Fresnelformula；halfwaveloss；totalreflection湖南科技大学本科生毕业设计（论文）viii目录第一章前言······················································································错误!未定义书签。第二章光的电磁理论及发展历史··············································错误!未定义书签。2.1光学的发展历史简要介绍························································错误!未定义书签。2.2惠更斯与菲涅尔原理································································错误!未定义书签。2.3光的电磁理论············································································错误!未定义书签。第三章菲涅尔公式的推导及其分析··········································································73.1光的反射与折射定律·································································································73.2菲涅尔公式的推导·····································································错误!未定义书签。3.3菲涅尔公式的适用条件·····························································错误!未定义书签。3.4关于相位变化的一些分析...........................................................................12第四章菲涅尔公式的应用·····························································································134.1半波损失···················································································································134.2布儒斯特角问题分析·································································错误!未定义书签。4.3全反射·······················································································································154.4获取线偏振光..............................................................................................154.5在光信息传播中的应用.............................................................................15第五章结论.............................................................................17参考文献································································································································18致谢·········································································································································19附录A：常用物理常数与常量······················································································20湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-1-第一章前言光对于人类来讲是一种十分常见却也一直显得很神秘的物质。虽然人类在日常生活中无时无刻不是沐浴在各色光的照射下的，但对于光的认识却一直甚少以至有些浅薄。但是不可否认的是，人类对于光的研究正在逐步深入，已经越来越接近光的本质了。在历史上，以朴素的几何光学作为一个良好开端，又通过了传统的波动光学的进阶研究，在20世纪的时候又经历了量子光学的洗礼，现代光学已经愈发精炼且深刻了，对人类社会产生了深远而积极的影响。对于光的本性问题的讨论一直是人类研究的重点课题。物理学家牛顿认为光是一种特殊的微粒流，从光源飞出，在飞行过程中服从牛顿力学原理。而后他在观察牛顿环的时候，又再次认识到了光的周期性，这促使他结合了以太说和微粒说，对干涉条纹做出了独道的解释。而笛卡尔却主张波动学说，他认为光的本质是在无穷空间中传播的一种压力，且这种压力传播的速度无穷大。但是值得注意的是，他在解释一些光学问题的时候又用到了一些经典的微粒说的概念，这很矛盾。事实上，这两种学说都不能对于光学的本质问题做出完满的解释。在之后的岁月里，惠更斯又提出了惠更斯原理。利用这一个原理，他成功解释了光的折射与反射现象。但是令人遗憾的是，惠更斯认为光是类似声波的一种纵波，这与光的偏振现象产生了不可调和的矛盾。并且这个理论还会导致倒退波，显然不对。所以，这个原理虽然向前走了一大步，却依旧无法让人满意。在1865年，麦克斯韦完成了他的电磁场方程组。对电场和磁场做出了统一的解释，并且在理论上预言了电磁波的存在。20年后，人们测出了电磁波的速度就是光速，这也印证了麦克斯韦预言的正确性。所以光的确是电磁波。菲涅尔则认为光是一种横波，他在根本上发展了惠更斯和杨的波动理论。在惠更斯原理的基础上，他提出了自己的理论。在该理论中，他创造性地引入了一个倾斜因子，与倾斜角有关，这使得它消除了倒退波的影响。同时，菲涅尔依据惠更斯的“次波”假设，在这个基础上对这个假设进行补完。他有添加了关于描述次波的基本特征，即相位与振幅的定量表达式，并且，他更具史无前例地增加了“次波相干叠加”原理，使其发展为了惠更斯-菲涅尔原理。我们可以这么说，从结果而论，菲涅尔的理论能更好地解释偏振与衍射现象。在这之后，菲涅尔又通过麦克斯韦方程组，考虑了不同介质分界面的边界条件，他推导出了菲涅尔公式。这个公式有着极其重要的作用。利用它，我们可以对光的半波损失，布儒斯特角的产生，全反射等等一系列现象做出比较合理的解释。这篇文章主要的目的是通过一些基本在理论上推导出菲涅尔公式，并对这个公式的内涵做出一定的合理分析，对它的应用提出自己的一些看法，并对一些经典问题进行合理的解释。同时对光的电磁理论做一点简要的介绍。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-2-第二章光的电磁理论及发展历史光是的地球上的生命的来源之一，也是信息传播的主要媒介之一。本章将简要地介绍一下光学的历史发展历程，稍微讲解一下惠更斯-菲涅尔原理，最后着重简介一下光的电磁波理论。2.1光学的发展历史简要介绍光学的历史发展过程大致可以分为这么五个时期：光学发展的启蒙时期；几何光学时期；波动光学时期；量子光学时期；现代光学时期。在光学发展的启蒙阶段，人们主要得到了一些光的经验定律，例如我国的墨子早在春秋战国时代就归纳出了一些著名的经验定律。（小孔成像等）在几何光学的阶段，人们又建立了光的反射定律和光的折射定律，提出了光的微粒说，并且对于光学仪器也进行了很大的改进。在波动光学时期，诞生了一些著名的物理实验，比如杨氏双缝干涉实验和衍射实验等等。这些实验在很大程度上促使了波动学说的发展。惠更斯，杨，菲涅尔等人都做出了杰出的贡献。尤其是麦克斯韦在他的理论研究中指出光是一种电磁波，并在后期的实验中得到验证，这是波动学说的长足进步。在量子光学阶段，人们认识到了光的波粒二象性，是前人智慧的伟大结晶，这使得人们对于光的认识越发接近本质了。而光学发展到现在，都属于现代光学时期了。新的实验现象被发现，新的理论给予它们以解释，相信在不久的