Úhel Brewsterů - Brewsters angle - Wikipedia

Ilustrace polarizace světla dopadajícího na rozhraní v Brewsterově úhlu.

Brewsterův úhel (také známý jako úhel polarizace) je úhel dopadu na kterém světlo s konkrétním polarizace se dokonale přenáší přes transparentní dielektrikum povrch, s Ne odraz. Když nepolarizovaný světlo dopadá v tomto úhlu, světlo, které se odráží od povrchu, je proto dokonale polarizováno. Tento speciální úhel dopadu je pojmenován po skotském fyzikovi Sir David Brewster (1781–1868).^[1][2]

Vysvětlení

Když světlo narazí na hranici mezi dvěma média s různými indexy lomu, některé z nich se obvykle odrážejí, jak je znázorněno na obrázku výše. Zlomek, který se odráží, je popsán pomocí Fresnelovy rovnice, a závisí na polarizaci přicházejícího světla a úhlu dopadu.

Fresnelovy rovnice předpovídají toto světlo s p polarizace (elektrické pole polarizovaný ve stejném letadlo jako dopadající paprsek a povrch normální v bodě dopadu) se neprojeví, pokud je úhel dopadu

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

kde n₁ je index lomu - počátečního média, kterým se světlo šíří ("dopadající médium"), a - n₂ je index druhého média. Tato rovnice je známá jako Brewsterův zákona úhel, který definuje, je Brewsterův úhel.

Fyzikální mechanismus pro to lze kvalitativně pochopit ze způsobu, jakým je elektrický dipóly v médiích reagovat na p-polarizované světlo. Lze si představit, že světlo dopadající na povrch je absorbováno a poté znovu vyzařováno oscilačními elektrickými dipóly na rozhraní mezi dvěma médii. Polarizace volně se šířícího světla je vždy kolmá ke směru, kterým se světlo pohybuje. Dipóly, které produkují procházející (lomené) světlo, oscilují ve směru polarizace tohoto světla. Stejné oscilační dipóly také generují odražené světlo. Dipóly však nevyzařují žádnou energii ve směru k dipólový moment. Pokud je lomené světlo p-polarizovaný a šíří se přesně kolmo na směr, ve kterém se předpokládá, že světlo bude zrcadlově odráží „dipóly směřují podél zrcadlového směru odrazu, a proto nelze odrážet žádné světlo. (Viz diagram výše)

U jednoduché geometrie lze tuto podmínku vyjádřit jako

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

kde θ₁ je úhel odrazu (nebo dopad) a θ₂ je úhel lomu.

Použitím Snellov zákon,

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

lze vypočítat úhel dopadu θ₁ = θ_B při kterém se neodráží žádné světlo:

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

Řešení pro θ_B dává

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

Pro skleněné médium (n₂ ≈ 1.5) ve vzduchu (n₁ ≈ 1), Brewsterův úhel pro viditelné světlo je přibližně 56 °, zatímco pro rozhraní vzduch-voda (n₂ ≈ 1.33), je přibližně 53 °. Jelikož se index lomu daného média mění v závislosti na vlnové délce světla, bude se s vlnovou délkou měnit také Brewsterův úhel.

Fenomén světla polarizovaného odrazem od povrchu v určitém úhlu byl poprvé pozorován u Étienne-Louis Malus v roce 1808.^[3] Pokusil se spojit polarizační úhel s indexem lomu materiálu, ale byl frustrován nekonzistentní kvalitou brýlí dostupných v té době. V roce 1815 experimentoval Brewster s materiály vyšší kvality a ukázal, že tento úhel je funkcí indexu lomu, který definuje Brewsterův zákon.

Brewsterův úhel se často označuje jako „polarizační úhel“, protože světlo, které se odráží od povrchu v tomto úhlu, je zcela polarizované kolmo k rovina dopadu ("s-polarized "). Skleněnou desku nebo stoh desek umístěných pod Brewsterovým úhlem ve světelném paprsku lze tedy použít jako polarizátor. Koncept polarizačního úhlu lze rozšířit na koncept Brewsterova vlnového čísla pro pokrytí rovinných rozhraní mezi dvěma lineárními bianisotropní materiály. V případě odrazu pod Brewsterovým úhlem jsou odražené a lomené paprsky vzájemně kolmé.

U magnetických materiálů může Brewsterův úhel existovat pouze pro jednu z polarizací dopadajících vln, jak je určeno relativními silami dielektrické permitivity a magnetické permeability.^[4] To má důsledky pro existenci zobecněných Brewsterových úhlů pro dielektrické metasurfaces.^[5]

Aplikace

Polarizované sluneční brýle použijte princip Brewsterova úhlu ke snížení oslnění od slunce odrážejícího se od vodorovných povrchů, jako je voda nebo silnice. V širokém rozsahu úhlů kolem Brewsterova úhlu, odraz p-polarizované světlo je nižší než s-polarizované světlo. Pokud je tedy slunce na obloze nízko, odražené světlo je silně s-polarizovaný. Polarizační sluneční brýle používají polarizační materiál, jako je Polaroid listy blokující horizontálně polarizované světlo, přednostně blokující odrazy od horizontálních povrchů. Efekt je nejsilnější u hladkých povrchů, jako je voda, ale odrazy od silnic a země jsou také sníženy.

Stejný princip fotografové používají k odstranění odrazů od vody, aby mohli fotografovat objekty pod povrchem. V tomto případě polarizační filtr upevnění kamery lze otočit tak, aby bylo ve správném úhlu (viz obrázek).

Fotografie pořízené z okna s polarizačním filtrem fotoaparátu otočené do dvou různých úhlů. Na obrázku vlevo je polarizátor zarovnán s polarizačním úhlem odrazu okna. Na obrázku vpravo byl polarizátor otočen o 90 °, což eliminuje silně polarizované odražené sluneční světlo.

Při nahrávání a hologram, světlo obvykle dopadá pod Brewsterovým úhlem. Protože dopadající světlo je p-polarizované, neodráží se zpětně od průhledné zadní roviny holografického filmu. Tím se zabrání nežádoucím rušivým účinkům v systému hologram.

Brewsterovy hranolové hranoly se používají ve fyzice laserů. Polarizované laserové světlo vstupuje do hranolu v Brewsterově úhlu bez jakýchkoli reflexních ztrát.

V povrchové vědě Brewsterovy mikroskopy se používají při zobrazování vrstev částic nebo molekul na rozhraní vzduch-kapalina. Použitím laseru zaměřeného na Brewsterův úhel k rozhraní se čistá kapalina na obrázku jeví černá, zatímco vrstvy molekul poskytují odraz, který lze detekovat a prezentovat fotoaparátem.

Brewster okna

Okno Brewster

Plynové lasery obvykle používají okno nakloněné pod Brewsterovým úhlem, aby paprsek mohl opustit laserovou trubici. Protože okno některé odráží s-polarizované světlo, ale ne p-polarizované světlo, zpáteční ztráta pro s polarizace je vyšší než polarizace p polarizace. To způsobí, že výstup laseru bude p polarizované kvůli konkurenci mezi těmito dvěma režimy.^[6]

Úhel Pseudo-Brewstera

Když absorbuje odrazný povrch, odrazivost při paralelní polarizaci (p) prochází nenulovým minimem na tzv úhel pseudo-Brewstera.^[7][8]

Viz také

• Brewsterův mikroskop
• Totální vnitřní odraz

Reference

Další čtení

• Lakhtakia, A. (1992). "Obecné schéma pro Brewsterovy podmínky" (PDF). Optik. 90 (4): 184–186.

externí odkazy

• Brewsterova extrakce úhlu od Wolfram Research
• Okno Brewster na RP-photonics.com
• TE, TM reflexní koeficienty - interaktivní fáze a diagramy velikosti ukazující Brewsterův úhel