折射定律

当光波从一种介质传播到另一种具有不同折射率的介质时，会发生折射现象，其入射角与折射角之间的关系，可以用斯涅尔定律（Snell's Law）来描述。斯涅尔定律是因荷兰物理学家威理博·斯涅尔而命名，又称为“折射定律”。在光学里，光线跟踪科技应用斯涅尔定律来计算入射角与折射角。在实验光学与宝石学里，这定律被应用来计算物质的折射率。对于具有负折射率的负折射率超材料（metamaterial），这定律也成立，允许光波因负折射角而朝后折射。斯涅尔定律表明，当光波从介质1传播到介质2时，假若两种介质的折射率不同，则会发生折射现像，其入射光和折射光都处于同一平面，称为“入射平面”，并且与界面法线的夹角满足如下关系：其中， n 1 {displaystyle n_{1}} 、 n 2 {displaystyle n_{2}} 分别是两种介质的折射率， θ 1 {displaystyle theta _{1}} 和 θ 2 {displaystyle theta _{2}} 分别是入射光、折射光与界面法线的夹角，分别叫做“入射角”、“折射角”。这公式称为“斯涅尔公式”。斯涅尔定律可以从费马原理推导出来，也可以从惠更斯原理、平移对称性或麦克斯韦方程组推导出来。最早有系统研究折射问题的学者是住在埃及的希腊人托勒密。西元二世纪，在著作《光学》（Optics）第五卷里，他提出了他的折射实验与定律。但是，他从做实验得到的数据与结论并不准确，没有给出正弦定律。在那时候，希腊学者不清楚正弦的概念。为巴格达宫廷效劳的伊朗学者伊本·沙尔（Ibn Sahl）在984年的专著《论点火镜子与透镜》（On Burning Mirrors and Lenses）里最先正确地描述折射定律。他应用这定律来找出能够将光聚焦而不会产生几何像差的透镜的形状。这种透镜称为曲折透镜（anaclastic lens）。很可惜的是其它学者并没有注意到他的研究结果。之后很多年，人们都是从托勒密的错误理论开始研究折射。十一世纪初，阿拉伯学者海什木重做托勒密的实验。他在著作《光学书》（Kitab al-Manazir, Book of Optics）里，从做实验得到的数据，粗略地总结出一些定则。他也没有得到正弦定律。1602年，英国天文学者托马斯·哈里奥特又重新发现了折射定律，可是，他并没有发表他的结果，虽然他曾经在与约翰内斯·开普勒通信中提到这件事。1621年，斯涅尔推导出一个数学等价形式，但是在他有生之年，学术界并不知道他的成就。勒内·笛卡儿在1637年专著《屈光学》（Dioptrics）里，独立地推导出这个定律，并且用他的理论解析了一系列光学问题。在这导引里，他做了两个假定，第一个假定是光的传播速度与介质密度呈正比，第二个假定是光速度沿着界面方向的分量守恒。1662年，皮埃尔·德·费马发表了另一种导引，从他的版本的最小作用量原理推导出同样的定律，但是费马的假定是光的传播速度与介质密度呈反比。因此，他激烈地反驳笛卡儿的解答，认为笛卡尔的假定有误。1802年，托马斯·杨做实验发现，当光波从较低密度介质传播到较高密度介质时，光波的波长会变短，他因此推论光波的传播速度会降低。根据历史学者以撒·福雪斯（Issac Vossius）在著作《De natura lucis et proprietate》里的叙述，笛卡儿先阅读了斯涅尔的论文，然后调制出自己的导引。有些历史学者觉得这指控太过夸张，难以置信；但是很多历史学者都存疑曾经发生了这回事，费马与惠更斯分别多次重复地谴责笛卡儿的行为缺失。尽管这不名誉事件所造成的风波，在法国，斯涅尔定律被称为“笛卡儿定律”，或“斯涅尔-笛卡儿定律”1678年，克里斯蒂安·惠更斯在著作《光论》（Traité de la Lumiere）里表明，应用惠更斯原理，可以从光的波动性质，解释或推导出斯涅尔定律。费马原理又称为“最短时间原理”：光线传播的路径是需时最少的路径。费马原理更正确的版本应是“平稳时间原理”。对于某些状况，光线传播的路径所需的时间可能不是最小值，而是最大值，或甚至是拐值。例如，对于平面镜，任意两点的反射路径光程是最小值；对于半椭圆形镜子，其两个焦点的光线反射路径不是唯一的，光程都一样，是最大值，也是最小值；对于半圆形镜子，其两个端点Q、P的反射路径光程是最大值；又如最右图所示，对于由四分之一圆形镜与平面镜组合而成的镜子，同样这两个点Q、P的反射路径的光程是拐值。设定介质1、介质2的折射率分别为 n 1 {displaystyle n_{1}} 、 n 2 {displaystyle n_{2}} ，光线从介质1在点O传播进入介质2， θ 1 {displaystyle theta _{1}} 为入射角， θ 2 {displaystyle theta _{2}} 为折射角。从费马原理，可以推导出斯涅尔定律。光线在介质１与介质２的速度 v 1 {displaystyle v_{1}} 和 v 2 {displaystyle v_{2}} 分别为其中， c {displaystyle c} 是真空光速。由于介质会减缓光线的速度，折射率 n 1 {displaystyle n_{1}} 和 n 2 {displaystyle n_{2}} 都大于 1 {displaystyle 1} 。如右图所示，从点Q到点P的传播时间 T {displaystyle T} 为根据费马原理，光线传播的路径是所需时间为极值的路径，取传播时间 T {displaystyle T} 对变数 x {displaystyle x} 的导数，设定其为零：根据正弦函数定义，可以得到传播速度与折射角的关系式：将传播速度与折射率的关系式代入，就会得到斯涅尔定律：惠更斯原理表明，波前的每一点可以视为产生球面次波的点波源，而以后任何时刻的波前则可看作是正切这些次波的包络。假设传播速度为 v {displaystyle v} 的波前，在时间 t = 0 {displaystyle t=0} 为平面，在这波前的每一点所产生的球面次波，在时间 t = Δ t {displaystyle t=Delta t} 已传播了距离 v Δ t {displaystyle vDelta t} ，由于正切这些球面次波的包络只能为平面，所以波前在时间 t + Δ t {displaystyle t+Delta t} 为平面。波前传播的方向垂直于这两个相互平行的平面。如右图所示，光波从介质1传播进入介质2，其入射角、折射角分别为 θ 1 {displaystyle theta _{1}} 、 θ 2 {displaystyle theta _{2}} ，传播速度分别为 v 1 {displaystyle v_{1}} 、 v 2 {displaystyle v_{2}} ，假设 v 1 > v 2 {displaystyle v_{1}>v_{2}} 。在时间 t j {displaystyle t_{j}} 时，光波的波前会包含点 A j {displaystyle A_{j}} 和点 B j {displaystyle B_{j}} 的位置，标记这时的波前为 A j B j ¯ {displaystyle {overline {A_{j}B_{j}}}} 。假设时间 t j {displaystyle t_{j}} 与 t j + 1 {displaystyle t_{j+1}} 之间的间隔为常数 Δ t {displaystyle Delta t} ，则以下几个直线段之间的长度相等关系成立：从波前 A 1 B 1 ¯ {displaystyle {overline {A_{1}B_{1}}}} 的每一个点波源发射出的球面次波，分别在介质1、介质2的传播速度为 v 1 {displaystyle v_{1}} 、 v 2 {displaystyle v_{2}} ， A 2 B 2 ¯ {displaystyle {overline {A_{2}B_{2}}}} 必须正切这些球面次波。特别而言，在时间间隔 Δ t {displaystyle Delta t} 之后，波前 A 2 B 2 ¯ {displaystyle {overline {A_{2}B_{2}}}} 在介质1的部分必须平行于相距 v 1 Δ t {displaystyle v_{1}Delta t} 的波前 A 1 B 1 ¯ {displaystyle {overline {A_{1}B_{1}}}} ，而波前 A 2 B 2 ¯ {displaystyle {overline {A_{2}B_{2}}}} 在介质2的部分必须正切从点波源 A 1 {displaystyle A_{1}} 发射出的半径为 v 2 Δ t {displaystyle v_{2}Delta t} 的球面次波。所以，在通过界面时，会出现弯曲的波前 A 2 B 2 ¯ {displaystyle {overline {A_{2}B_{2}}}} 。由于光波传播的方向垂直于波前，所以在介质1、介质2里，波前与界面之间的夹角分别等于入射角 θ 1 {displaystyle theta _{1}} 、折射角 θ 2 {displaystyle theta _{2}} 。直线段长度 B 1 B 3 {displaystyle B_{1}B_{3}} 与 A 1 A 3 {displaystyle A_{1}A_{3}} 之间的关系为即应用折射率 n {displaystyle n} 的定义式：其中， c {displaystyle c} 为光速。总结，斯涅尔定律成立：其中， n 1 {displaystyle n_{1}} 、 n 2 {displaystyle n_{2}} 分别为介质1、介质2的折射率假设对某系统整体做一个平移之后，这系统仍旧保持不变，则称此系统具有平移对称性。从平移对称性，可以推导出斯涅尔定律。这是建立于横向均匀界面不能改变横向动量的道理。由于波矢 k = ( k x , k y , k z ) {displaystyle mathbf {k} =(k_{x},k_{y},k_{z})} 与光子的动量成正比，假设介质1、介质2的界面垂直于z-方向，则在介质1、介质2里的光波横向传播方向必须保持不变：因此，应用折射率 n {displaystyle n} 的定义式：其中， ω {displaystyle omega } 是光波的角频率。总结，斯涅尔定律成立：微观至原子尺寸，虽然没有任何界面是完全均匀的，假若精细至光波波长尺寸，传播区域可以估视为均匀，则平移对称性仍不失为优良近似。几何光学的三条基础定律为光波是电磁辐射，必须满足麦克斯韦方程组与伴随的边界条件，其中一条边界条件为，在边界的临近区域，电场平行于边界的分量必须具有连续性。假设边界为xy-平面，则在边界，其中， E | | , i {displaystyle E_{||,i}} 、 E | | , r {displaystyle E_{||,r}} 、 E | | , t {displaystyle E_{||,t}} 分别为在入射波、反射波、折射波（透射波）的电场平行于边界的分量。假设入射波是频率为 ω {displaystyle omega } 的单色平面波，则为了在任意时间满足边界条件，反射波、折射波的频率必定为 ω {displaystyle omega } 。设定 E | | , i {displaystyle E_{||,i}} 、 E | | , r {displaystyle E_{||,r}} 、 E | | , t {displaystyle E_{||,t}} 的形式为其中， k i {displaystyle mathbf {k} _{i}} 、 k r {displaystyle mathbf {k} _{r}} 、 k t {displaystyle mathbf {k} _{t}} 分别是入射波、反射波、折射波的波矢， E | | , i 0 {displaystyle E_{||,i0}} 、 E | | , r 0 {displaystyle E_{||,r0}} 、 E | | , t 0 {displaystyle E_{||,t0}} 分别是入射波、反射波、折射波的波幅（可能是复值）。为了在边界任意位置 ( x , y , 0 ) {displaystyle (x,y,0)} 满足边界条件，相位变化必须一样，必须设定因此，不失一般性，假设 k i y = k r y = k t y = 0 {displaystyle k_{iy}=k_{ry}=k_{ty}=0} ，则立刻可以推断第一定律成立，入射波、反射波、折射波的波矢，与界面的法线共同包含于入射平面。从波矢x-分量的相等式，可以得到而在同一介质里， k i = k r {displaystyle k_{i}=k_{r}} 。所以，第二定律成立，入射角 θ i {displaystyle theta _{i}} 等于反射角 θ r {displaystyle theta _{r}} 。应用折射率 n {displaystyle n} 的定义式：可以推断第三定律成立：其中， n t {displaystyle n_{t}} 、 θ t {displaystyle theta _{t}} 分别是折射介质的折射率与折射角。从入射波、反射波、折射波之间的相位关系，就可以推导出几何光学的三条基础定律。“光密介质”是折射率比较大的介质；“光疏介质”是折射率比较小的介质。假设光从折射率为 n 1 {displaystyle n_{1}} 的光密介质传播进入到折射率为 n 2 {displaystyle n_{2}} 的光疏介质（例如，从玻璃传播进入到空气中），而入射角 θ 1 {displaystyle theta _{1}} 等于临界角 θ c {displaystyle theta _{c}} ，则折射光线会沿折射界面的切线进行，即折射角 θ 2 = π / 2 {displaystyle theta _{2}=pi /2} 。此时会有 sin ⁡ θ 2 = 1 {displaystyle sin theta _{2}=1} 。因此，可推得假若入射角 θ 1 > θ c {displaystyle theta _{1}>theta _{c}} ，则无法找到对应的折射角 θ 2 {displaystyle theta _{2}} ，不存在折射光，而只存在反射光，这现象称为全内反射。临界角 θ c {displaystyle theta _{c}} 是促使全内反射发生的最小入射角，它的值取决于两种介质的折射率的比值：例如，水的折射率为1.33，空气的折射率近似等于1.00，临界角为在导电性介质里，电容率与折射率都是复值，连带的，折射角与波向数都是复值。这意味着，等实相位曲面的法线与界面的法线之间的角度等于折射角，而等波幅曲面是与界面相互平行的平面。由于这两个曲面通常不会重叠在一起，这种波被称为“非均匀波”。折射波呈指数衰减，指数与折射率的复值部分成正比。对于各向同性或镜面介质（例如玻璃），通常斯涅尔定律成立。对于各向异性介质，例如，方解石，双折射会将折射线分为两束射线，“寻常射线”与“非常射线”。寻常射线照样遵守斯涅尔定律，而非常射线可能会与入射线不共面。