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材料的复折射率(The Complex Index of Refraction)详解

(2013-04-03 11:29:56)
标签:

复折射率

complexindexofrefrac

光学材料

折射率

理论

分类: 物理

  

在描述电介质的极化过程中,我们使用介电常数er 描述问题,其中

er(w) = e' + ie''

现在如果我们用复折射率complex index of refraction n*代替n,则有:

n*=n'+i·n''

n 代替n' ,用 k 代替 n'',就得到了:

n*=n+ i·k

往下讨论之前,我们进行下列约定:

 

凡是普通折射率(相对于复数折射率)我们都称为折射率,其他都称为复折射率

                                                                                                                                    

我们已知了折射率(包括复折射率)和介电常数有下列关系:

n2  =  er

n*2  =  er

使用上述关系计算复折射率中的n,k

(n + ik)2

 

e' + i · e''

 

 

 

其中n = n(w)k = k(w),都是频率的函数,因为e' e''都是依赖频率变化的。

通过求解可以得到下述关系:

n2

 

1


2

æ
ç
è

æ
è

e2  e'' 2 

ö
ø

½ 

 +  e'

ö
÷
ø

 

 

 

 

k2

 

1


2

æ
ç
è

æ
è

e2  e'' 2

ö
ø

½ 

 –  e'

ö
÷
ø

 

 

 

 

 

 

 

此外,为了得到n,k与电导率的关系,还要用到下面结论:

e''和电导率有关

e''

 

sDK


 w

 

 

 

 

 e' = e0 · er 

则有:

(n + ik)2

 

n2 – k2 + i · 2nk

  e'   i ·

sDK


 w

 

 

 

          

 

对应系数相等,就得到:

n2 – k2

 

e'  

nk

 

sDK


2w

最后解得:

n2

 

1


2

æ
ç
è

e'

 

æ
è

e2  

sDK2


4w2 

ö
ø

½

ö
÷
ø

 

k2

 

1


2

æ
ç
è

e'

 

æ
è

e2 

sDK2


4w2 

ö
ø

½

ö
÷
ø

由此,我们就可以通过n k得到电导率sDK  e'了,反之也可以。

几点注意事项:

1.        以上结论仅仅适用于电介质,因为其中涉及电导率sDK

2.       n'在可见光区域,大小范围1.5~2.5,并且有下面的推论:

对于普通光学介质,k必须是非常小的,否则n = (er)½

就不在成立,且光学材料通常是绝缘介质, sDK »     

3.  sDK = 0时,n = (er)½
k=0此时归宿到原结论n = (er)½

4.  sDK非常大时n k也很大,我们尚不知道k意味着什么,但是n 很大意味着反射光束的强度达到100%,即完全反射。这正如我们已知的实验现象:光入射到良导体上时会趋近于完全反射。

附:介电常数与电导率的关系

介电常数的虚部与介质的电导率有关系,电导率越大损耗虚部也越大,
ε=ε‘-iσ/ω
ε‘为实介电系数
σ为介质电导率
ω为电磁波的角频率2pi*f
经典的描述为:介电常数是复数量,实部代表电容率,虚部代表损耗,虚部和电导有关,虚部越大,电导率越大,绝缘性能越差。但绝缘体不导电,是介电材料。

维基百科:http://en.wikipedia.org/wiki/Permittivity#Lossy_medium

本文参考网络资源整理,转载注明出处,有问题欢迎留言交流

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