Поляризация света при отражении от диэлектрика

Свет, отраженный от диэлектрика, всегда частично поляризован. Степень поляризации отраженного света зависит от угла падения α. При некотором угле падения a_о, который называют углом полной поляризации, отраженный свет полностью поляризован. Как показали экспериментальные исследования, угол полной поляризации a_о удовлетворяет следующему условию:

, (76)

где – относительный показатель преломления вещества, от которого происходит отражение света;

n₁ – показатель преломления диэлектрика, от которого происходит отражение света;

n₂ – показатель преломления окружающей диэлектрик среды.

Соотношение (76) называют законом Брюстера, а угол a_о – угол полной поляризации – углом Брюстера.

Плоскость колебания света, отраженного от диэлектрика под углом Брюстера a_о, перпендикулярна плоскости падения. При угле Брюстера интенсивность отраженного света всегда меньше интенсивности преломленного света, поэтому преломленный свет частично поляризован. При многократном последовательном отражении света степень поляризации преломленного света возрастает. Если, например, использовать стопу из 10 стеклянных пластинок, то степень поляризации преломленного света будет близка к 100 %.

Угол между отраженным и преломленным лучами в случае полной поляризации отраженного света равен 90°. Действительно, по закону Брюстера:

Из закона преломления света следует:

где b_o – угол преломления.

Следовательно,

и , т.е. отраженный луч перпендикулярен преломленному лучу.

Пояснить закон Брюстера можно следующим образом. Отраженный свет представляет собою вторичное излучение, возникающее при взаимодействии света с веществом. Переменное электрическое поле падающей на диэлектрик электромагнитной волны, проникая в него, заставляет колебаться заряженные частицы диэлектрика. Так как частота колебаний велика (10¹⁴ ¸ 10¹⁵ Гц), то в результате действия переменного электрического поля в колебательное движение приходят только валентные электроны атомов диэлектрика. Колеблющиеся электроны излучают электромагнитные волны той же частоты, что и у падающей волны. Интенсивность излучения каждого отдельного электрона зависит от направления, как это показано на рисунке 30, где приведена диаграмма интенсивности излучения колеблющегося электрона. На приведенном рисунке колебания электрона происходят вдоль линии AВ, радиус – вектор характеризует величину интенсивности излучения в рассматриваемом направлении в плоскости, в которой происходят колебания электрона. Как видно из рисунка 30, в направлении смещения электрона излучение отсутствует. Максимум излучения наблюдается в направлении, перпендикулярном смещению(на рисунке 30 это направление 00).

Рисунок 30

Внутри диэлектрика вторичные волны, излучаемые электронами, интерферируют между собой и дают отраженный свет только в одном направлении, которое удовлетворяет законам отражения:

1) Угол падения луча равен углу отражения.

2) Падающий и отраженный лучи и нормаль, проведенная в точку падения, лежат в одной плоскости.

Преломленный свет является результатом наложения первичной волны и вторичных волн, излучаемых электронами, и распространяется в изотропном диэлектрике также в одном направлении, удовлетворяющем законам преломления:

1) Падающий и преломленный лучи и нормаль, проведенная в точку падения, лежат в одной плоскости.

2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно относительному показателю преломления вещества, т.е. ,

где α – угол падения луча, b – угол преломления луча;

n₁ – показатель преломления диэлектрика, от которого отражается свет;

n₂ – показатель преломления окружающей диэлектрик среды.

Если на изотропный диэлектрик направить линейно поляризованный свет, плоскость колебания которого совпадает с плоскостью падения (рисунок 31, а), то колебания электронов под действием преломленной волны происходят в плоскости падения.

Рисунок 31

Плоскость колебаний отраженного и преломленного света, как это следует из законов преломления и отражения света, также совпадает с плоскостью падения.

При угле полной поляризации a_о угол между отраженным и преломленным лучами равен , и направление колебаний электрона совпадает с направлением отраженного луча (см. рисунок 31, б). Поэтому вторичное излучение электронов распространяется только в направлении преломленного луча, отраженного света не будет.

Если же под этим углом a_о направить на диэлектрик естественный свет, то от диэлектрика отразится только свет, плоскость колебания которого перпендикулярна плоскости падения. Следовательно, отраженный свет будет полностью поляризованным, а преломленный частично поляризованным (рисунок 32).

Рисунок 32