[激光原理与应用-136]：光学器件 - 光经过不同的材料，为什么会有折射？

1. 光速变化：折射的直接原因

• 光速与介质的关系：
  光在真空（无阻挡）中的速度为 c≈3×108m/s，但当光进入其他介质（如水、玻璃）时，其速度会降低。例如：
  • 水中的光速约为 v水​=c/1.33（折射率 n水​=1.33）；
  • 普通玻璃中的光速约为 v玻璃​=c/1.5（折射率 n玻璃​=1.5）。
• 速度变化导致方向偏折：
  当光从一种介质进入另一种介质时，若入射角不为零，光的一侧会先进入新介质并减速，而另一侧仍在原介质中以原速传播。这种速度差异会使光波前（波阵面）发生弯曲，从而改变传播方向，即发生折射。

2. 波动性解释：惠更斯原理

• 波前与子波源：
  根据惠更斯原理，光波的波前可看作无数子波源的集合。当光遇到介质界面时，每个子波源在新介质中以更慢的速度（或更快，如从玻璃到空气）发射子波。

• 波前重构与方向改变：
  新介质中子波的传播速度不同，导致波前在界面处发生弯曲。连接新波前的切线即为折射后的光线路径，从而解释了折射现象。例如：

  • 光从空气（快）进入水（慢）时，波前向法线方向弯曲，折射角小于入射角；
  • 光从水（慢）进入空气（快）时，波前远离法线方向弯曲，折射角大于入射角。

3. 粒子性视角：光子与介质的相互作用

• 光子与物质的作用：
  从量子力学角度，光可视为光子流。当光子进入介质时，会与介质中的原子或电子发生相互作用（如被吸收后重新发射）。这一过程需要时间，导致光子在介质中的“有效速度”降低。

• 统计行为与折射：
  尽管单个光子的行为是随机的，但大量光子的统计行为表现为光速降低和方向偏折。折射现象是光子与介质相互作用后的宏观表现。

4. 折射定律（斯涅尔定律）的数学表达

折射现象遵循斯涅尔定律：

n1​sinθ1​=n2​sinθ2​

其中：

• n1​、n2​ 分别为两种介质的折射率；
• θ1​、θ2​ 分别为入射角和折射角。

物理意义：
该定律表明，折射角与入射角的正弦值之比等于两种介质折射率的反比。折射率 n 是介质的光学性质参数，与光速的关系为 n=c/v。

5. 折射率的微观起源

• 介质极化与光速降低：
  当光进入介质时，其电场会驱动介质中的电荷（如电子）振动，形成次级电磁波。这些次级波与原光波叠加，导致合成波的相速度（即光速）降低。折射率 n 反映了介质对光的减速能力，与介质的极化率相关。

• 色散现象：
  不同波长的光在介质中的折射率不同（如蓝光折射率大于红光），导致白光折射后分解为彩色光谱（棱镜分光）。这一现象进一步证明了折射与介质微观性质的关联。

6. 实际应用中的折射现象

• 透镜成像：
  凸透镜通过折射会聚光线，凹透镜通过折射发散光线，实现成像或光路控制。

• 光纤通信：
  光在光纤中通过全反射（折射的极端情况）传播，实现低损耗信号传输。

• 显微镜与望远镜：
  通过多组透镜的折射组合，放大微小物体或观测遥远天体。

总结

光经过不同材料时发生折射的本质是：
光速在介质界面处因介质性质改变而发生变化，导致光波前弯曲或光子传播方向偏折。这一现象可通过波动理论（惠更斯原理）或粒子理论（光子与介质相互作用）解释，并由斯涅尔定律定量描述。折射率作为介质的光学特征参数，反映了介质对光的减速和偏折能力。