Угол Брюстера - Википедия - Brewsters angle

Иллюстрация поляризации света, падающего на границу раздела под углом Брюстера.

Угол Брюстера (также известный как угол поляризации) является угол падения на котором свет с особым поляризация отлично передается через прозрачный диэлектрик поверхность, с нет отражение. Когда неполяризованный свет падает под этим углом, поэтому свет, отраженный от поверхности, идеально поляризован. Этот особый угол падения назван в честь шотландского физика. Сэр Дэвид Брюстер (1781–1868).^[1][2]

Объяснение

Когда свет встречает границу между двумя средства массовой информации с разными показатели преломления, некоторые из них обычно отражаются, как показано на рисунке выше. Отраженная фракция описывается Уравнения Френеля, и зависит от поляризации падающего света и угла падения.

Уравнения Френеля предсказывают, что свет с п поляризация (электрическое поле поляризованный в том же самолет как падающий луч и нормальная поверхность в точке падения) не будет отражаться, если угол падения равен

${ displaystyle theta _ { mathrm {B}} = arctan ! left ({ frac {n_ {2}} {n_ {1}}} right) !,}$

куда п₁ это показатель преломления исходной среды, через которую распространяется свет («падающая среда»), и п₂ это индекс другой среды. Это уравнение известно как Закон Брюстера, а определяемый им угол - это угол Брюстера.

Физический механизм этого можно качественно понять из того, как электрические диполи в СМИ отвечают на п-поляризованный свет. Можно представить, что свет, падающий на поверхность, поглощается, а затем повторно излучается колеблющимися электрическими диполями на границе раздела двух сред. Поляризация свободно распространяющегося света всегда перпендикулярна направлению, в котором распространяется свет. Диполи, которые производят проходящий (преломленный) свет, колеблются в направлении поляризации этого света. Эти же колеблющиеся диполи также генерируют отраженный свет. Однако диполи не излучают никакой энергии в направлении дипольный момент. Если преломленный свет п-поляризован и распространяется точно перпендикулярно направлению, в котором, как ожидается, будет светиться зеркально отраженный диполи указывают в направлении зеркального отражения, и поэтому свет не может быть отражен. (См. Диаграмму выше)

С простой геометрией это условие можно выразить как

${ displaystyle theta _ {1} + theta _ {2} = 90 ^ { circ},}$

куда θ₁ угол отражения (или падения) и θ₂ угол преломления.

С помощью Закон Снеллиуса,

${ displaystyle n_ {1} sin theta _ {1} = n_ {2} sin theta _ {2},}$

можно рассчитать угол падения θ₁ = θ_B при котором не отражается свет:

${ displaystyle n_ {1} sin theta _ { mathrm {B}} = n_ {2} sin (90 ^ { circ} - theta _ { mathrm {B}}) = n_ {2} cos theta _ { mathrm {B}}.}$

Решение для θ_B дает

${ displaystyle theta _ { mathrm {B}} = arctan ! left ({ frac {n_ {2}} {n_ {1}}} right) !.}$

Для стеклянной среды (п₂ ≈ 1.5) в воздухе (п₁ ≈ 1) Угол Брюстера для видимого света составляет примерно 56 °, а для границы раздела воздух-вода (п₂ ≈ 1.33), это примерно 53 °. Поскольку показатель преломления для данной среды изменяется в зависимости от длины волны света, угол Брюстера также будет изменяться с длиной волны.

Явление поляризации света за счет отражения от поверхности под определенным углом было впервые обнаружено Этьен-Луи Малюс в 1808 г.^[3] Он попытался связать угол поляризации с показателем преломления материала, но был разочарован непостоянным качеством доступных в то время очков. В 1815 году Брюстер экспериментировал с материалами более высокого качества и показал, что этот угол является функцией показателя преломления, определяя закон Брюстера.

Угол Брюстера часто называют «поляризационным углом», потому что свет, который отражается от поверхности под этим углом, полностью поляризован перпендикулярно поверхности плоскость падения ("s-поляризованный "). Стеклянная пластина или стопка пластин, помещенная под углом Брюстера в пучок света, может, таким образом, использоваться в качестве поляризатор. Понятие поляризационного угла может быть расширено до концепции волнового числа Брюстера, чтобы охватить плоские границы раздела между двумя линейными бианизотропные материалы. В случае отражения под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

Для магнитных материалов угол Брюстера может существовать только для одной из поляризаций падающей волны, что определяется относительными значениями диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости.^[4] Это имеет значение для существования обобщенных углов Брюстера для диэлектрических метаповерхностей.^[5]

Приложения

Поляризованный солнечные очки используйте принцип угла Брюстера, чтобы уменьшить блики солнца, отражающиеся от горизонтальных поверхностей, таких как вода или дорога. В большом диапазоне углов вокруг угла Брюстера отражение п-поляризованный свет ниже, чем s-поляризованный свет. Таким образом, если солнце находится низко в небе, отраженный свет сильно s-поляризованный. В поляризационных солнцезащитных очках используется поляризационный материал, например Polaroid листы, чтобы блокировать горизонтально-поляризованный свет, предпочтительно блокируя отражения от горизонтальных поверхностей. Эффект сильнее всего на гладких поверхностях, таких как вода, но также уменьшаются отражения от дороги и земли.

Фотографы используют тот же принцип для удаления отражений от воды, чтобы они могли фотографировать объекты под поверхностью. В этом случае поляризационный фильтр насадку камеры можно повернуть под правильным углом (см. рисунок).

Фотографии окна с поляризационным фильтром камеры, повернутого на два разных угла. На рисунке слева поляризатор выровнен с углом поляризации отражения окна. На картинке справа поляризатор повернут на 90 °, что устраняет сильно поляризованный отраженный солнечный свет.

При записи голограмма, свет обычно падает под углом Брюстера. Поскольку падающий свет имеет p-поляризацию, он не отражается обратно от прозрачной задней поверхности голографической пленки. Это позволяет избежать нежелательных эффектов помех в голограмма.

Угловые призмы Брюстера используются в лазерной физике. Поляризованный лазерный свет входит в призму под углом Брюстера без каких-либо потерь на отражение.

В науке о поверхности Угловые микроскопы Брюстера используются для визуализации слоев частиц или молекул на границах раздела воздух-жидкость. При использовании лазера, направленного под углом Брюстера к границе раздела, чистая жидкость выглядит черной на изображении, тогда как слои молекул дают отражение, которое можно обнаружить и представить с помощью камеры.

Окна Брюстера

Окно Брюстера

Газовые лазеры обычно используют окно, наклоненное под углом Брюстера, чтобы луч выходил из лазерной трубки. Поскольку окно отражает некоторые s-поляризованный свет, но нет п-поляризованный свет, потеря в оба конца для s поляризация выше, чем у п поляризация. Это приводит к снижению выходной мощности лазера. п поляризованы из-за конкуренции между двумя модами.^[6]

Угол псевдо-Брюстера

Когда отражающая поверхность поглощает, коэффициент отражения при параллельной поляризации (п) проходит через ненулевой минимум на так называемой угол псевдо-Брюстера.^[7][8]

Смотрите также

• Угловой микроскоп Брюстера
• Полное внутреннее отражение

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Лахтакия, А. (1992). «Общая схема для условий Брюстера» (PDF). Optik. 90 (4): 184–186.

внешняя ссылка

• Извлечение угла Брюстера от Wolfram Research
• Окно Брюстера на RP-photonics.com
• Коэффициенты отражения TE, TM - интерактивные графики фазы и величины, показывающие угол Брюстера