Ecuaciones de Fresnel para la reflexión y refracción

Presentación del tema: "Ecuaciones de Fresnel para la reflexión y refracción"— Transcripción de la presentación:

1 Ecuaciones de Fresnel para la reflexión y refracción
Rayos incidente, transmitido, y reflejado en la interface Coeficientes de reflexión y transmisión Ecuaciones de Fresnel Angulo de Brewster Reflexión total interna

2 Plano de incidencia y la interface con el medio
Definición Perpendicular (“S”) la polarización apunta hacia afuera del plano de incidencia. Medio de incidencia Ei Er ni Plano de incidencia (x-y plano) es el plano que contiene los vectores k de los rayos incedente y reflejado. qi qr Interface Plane of the interface (here the yz plane) (perpendicular to page) x y z qt nt Paralelo (“P”) La polarización sigue paralelo al plano de incidencia. Et Medio de transmisión

3 Notación simplificada para los estados de polarización
Perpendicular (“S”) Esta polarización se encuentra apuntando hacia afuera del plano de incidencia. Paralelo (“P”) Esta polarización está paralela al plano de incidencia

4 Ecuaciones de Fresnel ni nt qi qr qt Ei Bi Er Br Et Bt x y z
Podemos calcular la fracción de la luz de la onda refejada y transmitida por la interface entre los dos medios con distinto índice de refracción. Fresnel fué el primero que hizo éste cálculo. Empecemos por considerar las condiciones de contorno en la interface para el campo eléctrico y magnético de la ondas i,r,t para el caso “S” primero. ni nt qi qr qt Ei Bi Er Br Et Bt Interface x y z El caso considerado corresponde a luz con el campo perpendicular al plano de incidencia

5 Condiciones de contorno para el campo Eléctrico en la interface
x y z La componente tangential del campo eléctrico es continua En otras palabras, el campo total E en el plano de la interface es continuo. Surge que, todos los campos E están en la dirección z, que es e plano (xz) de la interface, Así: Ei(x, y = 0, z, t) + Er(x, y = 0, z, t) = Et(x, y = 0, z, t) Er Ei ni Bi Br qi qr Interface qt Et nt Bt

6 Condiciones de contorno para el campo magnético en la interface
x y z La componente tangencial del campo magnético es continua En otras palabras, el campo total B en el plano de la interface es continuo. Todos los campos B están en el plano x-y, de las que tomamos la componente x: –Bi(x, y = 0, z, t) cos(qi) + Br(x, y = 0, z, t) cos(qr) = –Bt(x, y = 0, z, t) cos(qt) ni nt qi qr qt Ei Bi Er Br Et Bt Interface qi qi

7 Reflexión y Transmisión de luz polarizada perpendicularmente (S)
Ignoring the rapidly varying parts of the light wave and keeping only the complex amplitudes: Si y Sustituyendo por

8 Coficientes de Reflexión y Transmisión para luz polarizada perpendicularmente
reacomodando obtenemos: Resolviendo obtenemos el coeficiente de reflexión: En forma análoga el coeficiente de transmisión es: Estas son la llamadas ecuaciones de Fresnel para luz polarizada perpendicularmente

9 Ecuaciones de Fresnel Campo eléctrico paralelo
x y z Campo B-entrante en la página. Ei Br Bi qi qr Er ni Interface Geometría de los Rayor para luz polarizada con el campo eléctrico fi paralelo al plano de incidencia qt Et nt Bt Notar que el campo magnético debe hacia la pantalla para lograr que

10 Coeficiente de Reflexión y Transmisión para E paralelo (P) al plano de incidencia
para luz polarizada paralela al PI For parallel polarized light, B0i - B0r = B0t and E0icos(qi) + E0rcos(qr) = E0tcos(qt) Solving for E0r / E0i yields the reflection coefficient, r||: Analogously, the transmission coefficient, t|| = E0t / E0i, es: Estas son las llamadas ecuaciones de Fresnel para luz polarizada paralelamente. y calculamos y obtenemos el coef de reflexión En forma análoga el coeficiente de transmisión

11 Coeficiente de Reflexión y Transmisión para una interface Aire-Vidrio
naire » 1 < nvidrio » 1.5 Note que: Hay reflexión total para q = 90° para ambas polarizaciones Reflexión cero para polarización paralela en el “ángulo de Brewster” (56.3° para los valores de ni y nt). (Para valores difrerentes de los índices de refracción, el ángulo de Brewster será diferente.) 1.0 .5 -.5 -1.0 ángulo de Brewster r||=0! r|| Coeficiente de Reflexion, r r ┴ 0° ° ° ° ángulo de Incidencia, qi

12 Coeficiente de Reflexión para la interface Vidrio-Aire
Angulo de incidencia, qi Coeficiente de Reflecxión, r 1.0 .5 -.5 -1.0 r|| r ┴ 0° ° ° ° Reflexión Total interna Ángulo de Brewster Ángulo Crítico crítico nvidrio » 1.5 > naire » 1 Note que : Ocurre refexión total interna por encima del “ángulo crítico " qcrítico º arcsin(nt /ni) (el seno en la ley de Snell no puede ser > 1!)

13 Transmitancia (T) T º Potencia transmitida / Potencia Incidente
A = Area T º Potencia transmitida / Potencia Incidente Si el rayo tiene un ancho wi: qt qi wi wt ni nt Ya que La Transmitancia se llama también Transmisividad.

14 Reflectancia (R) A = Area R º Potencia reflectada/ Potencia incidente qi wi ni nt qr Dado que el ángulo de incidencia = ángulo de reflexión, el área del rayo no cambia en la reflexión. También, n es el mismo para ambos rayos ya que están en el mismo medio. Así: La Reflectancia se llama también Reflectividad.

15 Reflectancia y Transmitancia para una interface Aire-Vidrio
Polarización Perpendicular Ángulo de Incidencia, qi 1.0 .5 0° ° ° ° R T Polarización Paralela Ángulo de Incidencia, qi 1.0 .5 0° ° ° ° R T Note que R + T = 1

16 Reflectancia y Transmitancia para una interface Vidrio-Aire
Polarización Perpendicular Ángulo de Incidencia, qi 1.0 .5 0° ° ° ° R T Polarización Paralela Ángulo de Incidencia, qi 1.0 .5 0° ° ° ° R T Note que R + T = 1

17 Reflexión con incidencia normal
Cuando qi = 0, y Para una interfaz aire-vidrio (ni = 1 y nt = 1.5), R = 4% and T = 96% Los valores son los mismos,independientemente de la dirección en que viaje la luz, del aire al vidrio o viceversa. R= 4% tiene implicaciones para los lentes fotográficos.

18 Cambio de fase para la Reflexión de luz polarizada perpendicularmente
ni nt qi qr qt Ei Bi Er Br Et Bt Interface Cuando Si Aire-vidrio Entonces habrá interferencia destructiva entre el rayo incidente y el reflejado. De la misma forma, si ni > nt (vidrio - aire), r > 0, la interferencia será constructiva.

19 Cambio de fase para la Reflexión de luz polarizada perpendicularmente
ni nt qi qr qt Ei Bi Er Br Et Bt Interface Cuando Si Aire-vidrio Esto significa que habrá interferencia destructiva con el rayo incidente. De la misma forma, si ni > nt (vidrio - aire), r|| > 0, habrá interferencia constructiva.

20 Gráficas del cambio de fase para la reflexión reflection (aire - vidrio)
0° ° ° ° Áng de incidencia p ┴ || ni < nt 180° para todos los ángulos 180° para ángulos menores al ángulo de Brewster'; 0° para ángulos mayores

21 Gráficas del cambio de fase para la reflexión reflection (vidrio - aire)
nt < ni 0° ° ° ° Áng de incidencia p ┴ || Cambia la fase por encima del ángulo crítico 180° para ángulos por debajo de ang de Brewster; 0° para valores mayores

22 Reflexión Total Interna (RIT) ocurre cuando sin(qt) > 1, y no hay haz transmitido
Note que la irradiancia del haz transmitido tiende a cero ( occurre RIT) as it grazes the surface. Ángulo de Brewster Reflexión Total interrna RIT tiene 100% de eficiencia, esto es, toda la luz es refejada.

23 Fibras Opticas Las Fibras Opticas usan la RIT para transmitir luz a largas distancias. The purpose of this presentation is to provide a conceptual understanding of how fiber optics are used in communications systems. Cada vez juegan un rol mas importante en nuestras vidas

24 Estructura de las fibras ópticas
Core: Vidrio fino que senecuentra en el centro de la fibra por el que se conduce la luz Cladding: rodea el core y refleja la luz nuevamente hacia el core Buffer coating: Film protector plástico ncore > nclad From The glass is formed by reacting silicon and germanium with oxygen, forming silicon dioxide (SiO2) and germanium dioxide (GeO2). The silicon dioxide and germanium dioxide deposit on the inside of the tube and fuse together to form glass.

25 Propagación de la luz en una fibra óptica
La luz viaja a través del core rebotando entre las paredes reflectantes. Esto le permite viajar a la luz grandes distancias sin pérdidas en la señal. Alguna señales se degradan debido a imperfecciones en el vidrio utilizado en la contrucción de la fibra. Las mejores fibras ópticas mustran muy poca pérdida – menos de 10%/km en 1,550 nm. From The light in a fiber-optic cable travels through the core (hallway) by constantly bouncing from the cladding (mirror-lined walls), a principle called total internal reflection. Because the cladding does not absorb any light from the core, the light wave can travel great distances. However, some of the light signal degrades within the fiber, mostly due to impurities in the glass. The extent that the signal degrades depends on the purity of the glass and the wavelength of the transmitted light (for example, 850 nm = 60 to 75 percent/km; 1,300 nm = 50 to 60 percent/km; 1,550 nm is greater than 50 percent/km). Some premium optical fibers show much less signal degradation -- less than 10 percent/km at 1,550 nm.

26 Reflexión Total Interna Frustrada (RITF)
Colocando una superfice en contacto con la superfice en la que ocurre RIT, la reflection total interna puede ser “frustrada.” Reflexión total interna Reflexión total interna frustada n=1 n=1 n n n n Cuán cerca deben estar las superficies para que ocurra RITF? Este efecto provee evidencia acerca de los “campos evanescentes”

27 El vector de onda k de la onda evanescente
ni nt qi qt x y El vector de onda k de la onda evanescente tiene componentes x e y : Paralelo a la superficie: ktx = k sin(qt) Perpendicular a ésta: kty = k cos(qt) Usando la ley de Snell, sin(qt) = (ni /nt) sin(qi), así ktx tiene sentido. y nuevamente: cos(qt) = [1 – sin2(qt)]1/2 = [1 – (ni /nt)2 sin2(qi)]1/2 = ± ib Despreciando la solución sin sentido físico -ib, obtenemos: Et(x,y,t) = E0 exp[–kb y] exp i [ k (ni /nt) sin(qi) x – w t ] La onda evanescente decae exponencialmente en la dirección transversal.