菲涅尔反射 （菲涅尔发现的光学现象）

简介

菲涅尔反射的物理特征就是反射的强弱取决于视线与反射面的夹角大小，菲涅尔反射可以通过菲涅尔方程来描述，视线与反射面的夹角a越大，反射强度越弱，当夹角a等于90度时，反射强度为零；视线与反射面的夹角a越小，反射强度越强，当夹角a趋近0度时，反射最强。

菲涅尔反射在许多光学工业中有着广泛的应用，例如镜面反射、光学镜片、反射镜等。在这些应用中，菲涅尔反射可以用来控制光线的传播方向和强度，从而实现光学设备的设计和优化。

背景

1748年，法国博物学家布丰伯爵（Compte deBuffon）提出阶梯结构透镜的设想，通过从透镜平面侧向球面侧挖除一部分材料获得轻薄的球壳透镜。其后，孔多塞提出用单片玻璃研磨得到相似的透镜。

1817年，法兰西学术院开展了一个竞赛，竞赛的主题是光的本性，找到光的衍射的最佳解释。有一个叫做奥古斯丁·菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）的法国物理学家和工程师参与了这个竞赛。他提出的理论是，光是一种波，就像所有的波一样，光在遇到障碍物的时候会产生衍射，菲涅尔提出了后来被人称之为惠更斯-菲涅尔原理的数学原理。

现象

光线在从一种介质（如空气）到另一种介质（如水）的过程中，会遇到介质界面。当光线垂直入射时，菲涅尔反射的现象比较小，大部分光线都能够穿过界面，进入到下一个介质。但是当光线以一定角度入射时，一部分光线会被反射回原来的介质中，一部分光线则会穿透到下一个介质中。比如当人站在湖边时，低头看脚下的水，会发现水是透明的，反射不是特别强烈；如果看远处的湖面，会发现水并不是透明的，但反射非常强烈，这种反射现象就是菲涅尔反射。

相关概念

菲涅尔方程

菲涅尔反射可以通过菲涅尔方程来描述，菲涅尔方程是一组描述光线在介质边界上反射和透射的方程。它包括反射系数（reflection coefficient）和透射系数（transmission coefficient）。反射系数表示反射光的强度与入射光的强度之比，透射系数表示透射光的强度与入射光的强度之比。

菲涅尔方程有两种形式，一种是针对垂直入射的光，另一种是针对斜入射的光。对于垂直入射光，菲涅尔方程可以简化为：

菲涅尔透镜聚光效果引起了许多学者的研究兴趣，美国国家航空航天局(NASA)在上世纪公布了菲涅尔透镜聚光器的设计参数，为后续研究指引了方向。D.C.Miller等人长期从事菲涅尔透镜制作材料方向研究，通过对不同的材料进行测试发现PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料对太阳光线拥有近92%的通过率，是目前菲涅尔透镜主要制作材料。Sierra等人利用菲涅尔透镜聚光产生的高温对金属表面进行处理，具有较好的效果。2010年，BenitesB等人设计了菲涅尔-科勒聚光系统，获得了均匀的聚焦光斑33。2017年，黄启录等设计菲涅尔-球透镜的聚光系统，聚光比高达6253。由于菲涅尔透镜聚光效果好，同时 PMMA材料通光率高，此透镜逐渐在太阳能领域得到应用。R.Gabbrielli等研究发现小型线性菲涅尔式光热发电可以与传统发电方法相结合并具有较好的可行性。

未来发展

水下光通信

菲涅尔反射可以用于设计和制造更高效的光纤连接器和光学器件。其基本工作原理是：调制系统首先将需要传输的信息调制，并加载到调制解调器，电源驱动变化的信号，激励激光器。激光器出射带有信息变化的光波，即电信号转化成光信号。扩束镜将传输的光信号准直扩束，经过海水通信信道的传播，到达光接收端。接收端接收到光信号，由透镜聚焦，光电倍增管接收聚焦光线，将接收信号传递到光电检测器上，进行光电转换。控制系统对接收的信号信息处理，调制解调，分析接收信号。

光储存和显示技术

菲涅尔反射可以用于制造高效的光学存储器和显示器。未来可以利用菲涅尔透镜来增强光储存和显示技术的性能，提高数据传输速度和图像质量。