Поляризация отраженной волны.

Возникновение полного отражения на границе раздела двух диэлектриков

Явление ПО носит пороговый характер: интенсивность отраженной волны резко увеличивается, когда угол падения i светового пучка на границу раздела с оптически менее плотной средой становится больше предельного угла i_пр = arcsin(n₂/n₁), n₂ < n₁. Для выяснения физической сущности подобных пороговых явлений необходимо обратиться к тем величинам, которые в рассматриваемом явлении меняются непрерывно и монотонно в области своих допустимых значений. В случае ПО такой величиной является угол преломления r, который при увеличении i от 0 до i_пр монотонно увеличивается от 0 до π/2. Таким образом, лекционный эксперимент, иллюстрирующий возникновение явления ПО, должен включать в себя наблюдение отраженного и преломленного пучков света при непрерывном изменении угла падения i светового пучка на границу раздела двух диэлектриков.

Наблюдение явления ПО осуществляется с помощью специальной кюветы из оргстекла (рис. 8.1), представляющей собой сплошной диск с внутренней полостью, образующей диаметральную плоскую границу раздела оргстекло-воздух. Конструктивно кювета состоит из четырех деталей: кольца, образующего боковую поверхность кюветы (внешний диаметр 180 мм, внутренний диаметр 150 мм, ширина 22 мм), двух сплошных дисков, являющихся стенками кюветы (диаметр 180 мм, толщина 3 мм) и половины диска (по диаметру), помещенной внутрь кольца (диаметр полудиска 150 мм, толщина 22 мм). Все поверхности деталей полированные. Соединение деталей друг с другом осуществляется оптически прозрачным клеем или раствором оргстекла в четыреххлористом углероде.

В боковой поверхности кюветы имеется узкое отверстие (диаметр 5 мм), соединенное с полостью, через которое в эту полость может быть залита жидкость.

Рис. 8.1. Демонстрация явления полного отражения.

Пучок света от лазера (ЛГ-75) направляется нормально на боковую (цилиндрическую) поверхность кюветы и в процессе демонстрации остается неизменным. Вращение кюветы вокруг оси позволяет исследовать отражение и преломление света на границе раздела двух диэлектриков как в случае n₁ < n₂ (граница раздела воздух-оргстекло), так и в случае n₁ > n₂ (граница раздела оргстекло-воздух). Наблюдение падающего, отраженного и преломленного пучков производится со стороны плоских стенок кюветы. Хорошая видимость лучей, распространяющихся в оргстекле, обусловлена значительным светорассеянием. Для визуализации световых пучков, распространяющихся в полости, последнюю можно слегка задымить.

При увеличении от 0⁰ угла падения света на границу раздела оргстекло-воздух (рис. 8.2а) хорошо видно, что угол преломления растет быстрее угла падения и равного ему угла отражения.

Рис. 8.2. Зависимость угла преломления от угла падения.

Предельному значению угла преломления 90⁰ (когда преломленный луч «скользит» вдоль границы раздела) соответствует предельный угол ПО i_пр. В данном случае (n₁ = 1,49, n₂ ~ 1) i_пр = 42⁰ (рис. 8.2б). При дальнейшем увеличении угла падения (i > i_пр) преломленный пучок света отсутствует, а интенсивность отраженного пучка резко возрастает, становясь сравнимой с интенсивностью падающего пучка.

Для демонстрации зависимости предельного угла ПО i_пр от относительного показателя преломления n₂/n₁ кювета устанавливается в положение, соответствующее предельному углу i_пр на границе раздела оргстекло-воздух (рис. 8.2б), после чего в полость кюветы заливается вода (желательно с флюоресцирующими добавками)). При этом явление ПО исчезает и появляется преломленный пучок света (рис. 8.2в). Действительно, предельный угол ПО на границе оргстекло-жидкость i'_пр = arcsin (n₂/n₁) = 63⁰, где n₂ = 1,33, n₁ = 1,49, больше i_пр на границе раздела оргстекло-воздух. Для возникновения ПО в этом случае следует увеличить угол падения светового пучка (рис. 8.2г).

Демонстрация состояния поляризации отраженной волны при ПО представляется целесообразной, даже если вопрос о фазовых соотношениях между ортогонально поляризованными компонентами отраженной волны в случае ПО подробно в курсе лекций не рассматривается. Действительно, при увеличении угла падения света на границу раздела в области i > i_пр интенсивность отраженной волны не изменяется, оставаясь равной интенсивности падающей волны (в пренебрежении поглощением и рассеянием света). В этом случае напрашивается вопрос: меняются ли при этом другие характеристики отраженной волны? Лекционная демонстрация поляризационных характеристик отраженной волны позволяет быстро и наглядно ответить на этот вопрос. Кроме того, изменение формы поляризации отраженной волны в области ПО находит важное практическое применение, особенно в инфракрасной области оптического спектра. Классическим примером применения ПО в поляризационной технике служит описываемый ниже ромб Френеля, эквивалентный четвертьволновой фазовой пластинке из анизотропного кристалла.

Рис. 8.3. Ромб Френеля.

Для демонстрации возникновения фазового сдвига между ортогонально поляризованными компонентами отраженной волны и применения этого эффекта в поляризационной технике воспользуемся системой из двух 60⁰ призм, которая близка по своим параметрам к ромбу Френеля (рис. 8.3). С помощью известной формулы для фазового сдвига δ между линейно поляризованными компонентами (в плоскости и перпендикулярно плоскости падения на границу раздела) отраженной волны

легко вычислить для i = 60⁰, n = 1,5 сдвиг фазы, возникающий при одном полном отражении от границы раздела стекло-воздух, δ ~ 41,5⁰.

Таким образом, два полных отражения приводят к фазовому сдвигу ~ 83⁰, близкому к 90⁰.

Рис. 8.4. Демонстрация фазовых соотношений при ПО.

Для того, чтобы убедиться в этом экспериментально, направим линейно поляризованное в вертикальной плоскости излучение газового лазера ЛГ-75 (рис. 8.4) через полуволновую пластинку для поворота азимута поляризации излучения на 45⁰ [3]. В отсутствие призм это излучение проходит через анализатор, вращением которого можно менять освещенность пятна на экране (закон Малюса). После прохождения системы из двух призм поляризация света становится близкой к круговой, так что при вращении анализатора освещенность пятна на экране практически не изменяется.