反射定义

当两种不同的介质在界面相遇时，波前可能会改变方向，使其返回到第一种介质，这称为反射。光、声和水波的反射是典型的例子。根据反射定律，对于镜面反射（如在镜子上），波入射到表面的角度等于它被反射的角度。

反射在声学中产生回声，并用于声纳。它对于地质学中地震波的研究至关重要。利用水体中的表面波来观察反射。除了可见光，多种不同类型的电磁波也会发生反射。VHF 及更高频率的反射对于无线电传输和雷达至关重要。利用特殊的“掠射”镜，即使是硬 X 射线和伽马射线也可以在浅角度下反射。

光反射

根据相互作用的性质，光反射要么是镜面反射（类似镜子），要么是漫反射（保留能量但丢失图像）。虽然在镜面反射中，s 和 p（TE 和 TM）偏振的相对相位由介质及其界面的特性决定，但反射波的相位取决于坐标原点的选择。

镜面光反射最基本的例子是镜子，它通常是一块带有金属涂层的玻璃板，主要反射发生在那里。金属反射的光更多，因为波在表面深度以外的传播受到抑制。在透明介质（如水或玻璃）的表面，也会发生反射。

入射角和反射角可以通过想象一条通过点 O 且垂直于镜子的直线来确定；这条假想的直线称为法线。根据反射定律，入射角必须等于反射角，即 I = r。

实际上，当光从一种折射率的介质穿过并进入另一种折射率不同的介质时，就会发生光反射。在最基本的情况下，一部分光被折射，其余部分从界面反射。通过求解麦克斯韦方程组处理光线撞击边界的情况，可以推导出菲涅尔方程，然后可以用来预测在特定情况下有多少光会被折射，有多少会被反射。这类似于电路中阻抗失配如何导致信号反射。如果入射角大于临界角，则会发生从较密集介质到较密集介质的总内反射。

当传统的反射方法无效时，会使用全内反射来聚焦波。通过为波构建重叠的“隧道”，可以建造 X 射线望远镜。当波以低角度接触隧道表面时，它们会向焦点反射（或与其他隧道表面相互作用，最终被导向焦点处的探测器）。因为 X 射线会直接穿过预期的反射器，所以典型的反射器将无效。

当光反射到折射率大于其穿过的介质的物质时，光会经历 180° 相移。相比之下，当光反射到折射率低于其穿过的介质的物质时，反射光与入射光同相。这是薄膜光学领域的一个关键概念。

图像是由球面反射产生的。镜子图像是在光反射到平面上时产生的。因为我们将看到的图像与如果我们旋转到图像位置时看到的进行比较，所以镜子图像似乎是左右颠倒的。曲面镜具有光学功率；在曲面上进行镜面反射会产生可以放大或缩小的图像。这种镜子可能有抛物面或球面。

反射定律

如果反射面非常光滑，则发生的光反射称为镜面反射或规则反射。反射定律如下：

1. 在入射点，反射面的法线、入射射线和反射射线都位于同一平面内。
2. 入射射线与法线的夹角与反射射线与同一法线的夹角相同。
3. 入射射线和反射射线位于法线的两侧。

菲涅尔方程可用于确定所有这三个定律。

机制

在经典电动力学中，光被视为电磁波，可以用麦克斯韦方程组来表示。材料中的每个粒子由于光波撞击材料在单个原子中引起的微小极化振动（或金属中电子的振动）而向所有方向发射微小的二次波，就像偶极天线一样。惠更斯-菲涅尔原理指出，所有这些波的总和导致镜面反射和折射。

当光与玻璃等电介质中的电子相互作用时，会产生新的场，由于电子的移动，会产生新的辐射体。入射光与电子的前向辐射结合形成玻璃内部的折射光。所有电子后向辐射的总和是反射光。

金属中的自由电子是没有结合能的电子。当这些电子因入射场与其辐射场之间的 180° 相位失配而与入射光一起振动时，前向辐射会抵消入射光，而后向辐射仅为反射光。理查德·费曼在他的畅销书《QED：光与物质的奇异理论》中，用光子的术语阐述了光-物质相互作用。

漫反射

当光线照射到（非金属）材料的表面时，它会从表面（如果它粗糙）和材料内部的微观不规则处（例如多晶材料的晶粒边界或有机材料的细胞或纤维边界）多次反射。结果是不会产生“图像”。这称为漫反射。材料的结构会影响反射的精确形状。拉伯特反射模型，常用于描述漫反射，假设光以相同的亮度（光度学）或辐射度（辐射测量学）向所有方向反射。我们主要通过大多数物体表面的漫反射来物理观察，这些反射将光发送到我们的眼睛。

逆反射

某些表面表现出逆反射。这些表面的设计使得光线返回到其最初发出的方向。

当飞机飞越接收到阳光的云层时，飞机阴影周围的区域会显得更亮；在草地上的露珠上也可以观察到类似的效果。弯曲液滴表面的折射特性和液滴背面的反射特性结合起来，产生了这种部分逆反射。

一些动物的视网膜起到逆反射器的作用，这显著增强了动物的夜视能力。其效果是眼睛起到强大的逆反射器作用，这有时在野外用手电筒漫游时在夜间观察到。这是因为它们眼睛的透镜以互惠的方式影响入射光和出射光的路径。

可以通过将三个规则的镜子相互垂直对齐（角反射器）来创建简单的逆反射器。由此产生的图像与单个镜子产生的图像相反。通过向表面添加一层微小的折射球体或构建微小的金字塔形结构，可以使表面具有一定的逆反射性。在这两种情况下，内反射都会导致光线返回到其原始位置。

这样做是为了使路标和车辆牌照在很大程度上将光反射回其原来的方向。由于光会反射回迎面而来的汽车的大灯，而不是进入驾驶员的眼睛，因此在这种应用中不需要完美的逆反射。

多次反射

当光线从镜子反射时，会产生一个图像。当两个镜子完美地面对面放置时，看起来似乎有无数个图像呈直线排列。在相互成角度的两个镜子之间可以看到的许多图像覆盖了圆。那个圆的中心位于镜子连接的假想点。当四面镜子以方形排列相互面对时，似乎有无数个图像分组在一个平面上。金字塔形四面镜中的每一对镜子都与其他镜子成角度，产生覆盖球体的多个图像。如果金字塔的底座是矩形，图像会覆盖一个环形的一部分。

请注意，这些是理论目标，需要完美对齐、完美平坦、完美光滑且不吸收任何光的反射器。任何反射器表面缺陷的影响都会传播和放大，吸收会逐渐消除图像，并且任何观测设备（生物或技术）都会受到干扰，因此实际上，这些条件只能近似实现，而不能完全实现。

共轭复反射

由于非线性光学过程，光在过程中（也称为相位共轭）以完全相同的方向返回其原始路径。波前本身以及光的传播方向都会被反转。通过反射一个光束，然后让反射光再次通过畸变光学器件，可以利用共轭反射器去除光束的像差。如果看向共轭反射镜，它看起来会是黑色的，因为只有离开瞳孔的光子才会进入瞳孔。

其他类型的反射

中子反射

核反应堆和核武器都使用铍等反射中子的材料。在中子在物质内的原子上反射，经常被用于物理和生物科学中，以确定材料的内部结构。

声音反射

当纵向声波撞击平面时，只要反射面的尺寸大于声波的波长，声音就会相干地反射。请记住，可听声音的频率范围（从 20 到大约 17000 Hz）对应着相当宽的波长范围（从大约 20 mm 到 17 m）。因此，反射的一般性质取决于表面的粗糙度和结构。例如，多孔材料会吸收部分能量，而粗糙材料（相对于波长而言）倾向于将能量向不同方向反射，而不是相干地反射。这些反射的性质对于一个地方的听觉体验至关重要，这就引入了建筑声学的主题。在外部噪音缓解的理念中，反射面尺寸会通过将部分声音反射到相反的方向来轻微削弱噪音屏障的作用。声反射会影响声空间。

地震反射

地球内部的层可能反射由地震或其他来源（如爆炸）产生的地震波。通过研究地震波的深层反射，地震学家能够识别地球的分层结构。在反射地震学中，利用较浅的反射来分析地壳的整体情况，并特别用于寻找天然气和石油资源。