Формулы Френеля

Перпендикулярная поляризация. В этом случае вектор перпендикулярен плоскости падения и параллелен границе раздела, а плоскость поляризации ЭМВ перпендикулярна плоскости распространения.

После преобразований, подробно рассмотренных в , получаем формулы О. Френеля для перпендикулярно поляризованных ЭМВ :

; . (9.5)

Для немагнитных сред () (9.5) упрощается :

; . (9.6)

Параллельная поляризация. В этом случае вектор лежит в плоскости распространения, а вектор перпендикулярен ей и параллелен границе раздела, т. е. плоскость поляризации ЭМВ параллельна плоскости ее падения.

После преобразований, подробно рассмотренных в , получаем формулы Френеля для параллельной поляризации :

; . (9.7)

Для немагнитных сред () формулы (9.7) упрощаются :

; . (9.8)

Падающую ЭМВ раскладывают на две составляющие, перпендикулярную и параллельную плоскости падения, и находят составляющие отраженной и преломленной волн. Соотношения между этими составляющими ЭМП определяют характер поляризации ЭМВ. В общем случае поляризация падающей, отраженной и преломленной ЭМВ может оказаться различной.

Из выражений (9.5) и (9.7) можно получить формулы для ЭМВ, падающей на границу раздела сред нормально , положив :

; . (9.9)

Из выражения (9.9) следует, что при нормальном падении ЭМВ на границу раздела отраженная волна будет отсутствовать (Г 0 = 0 ) только в том случае, если волновые сопротивления сред равны (условие согласования сред).

На рис. 9.2 приведены графики зависимостей коэффициента отражения ЭМВ обеих поляризаций от угла падения при различных соотношениях между диэлектрическими проницаемостями сред .

На рис. 9.3 приведены аналогичные графики Т (j). Следует отметить, что коэффициент преломления Т , называемый в литературе также коэффициентом прохождения во вторую среду из первой, не является энергетическимкоэффициентом прохождения . Например, при Z в2 > Z в1 Т будет всегда больше единицы.

Векторы Пойнтинга в разных средах связаны с разными площадями поперечных сечений лучей. Если вектор Пойнтинга наклонно падающей ЭМВ привязать к определенной площади (например, круг), то на границе раздела эта площадь изменится (круг растянется в эллипс). Во второй среде форма сохранится, но сама площадь также несколько изменится.

Явление полного отражения. В случае, когда ЭМВ проходит из оптически более плотной среды в менее плотную (), воз­ни­кает явление полного отражения (рис. 9.4).

Угол преломления y будет вещественным числом при условии:

. (9.10)

В этом случае вещественны также Г и Т в формулах Френеля.

Неравенство (9.10) нарушается, если угол падения j превышает некоторое значение j кр , называемое критическим углом :

. (9.11)

Если угол падения больше критического , то угол y не может быть вещественным, поскольку . В этом случае отраженная волна уносит всю энергию , принесенную падающей.

Явление полного внутреннего отражения используется в линиях передачи нулевой связности (световоды и т. п. – см. темы 15, 18).

Явление полного прохождения. Для ЭМВ с параллельной поляризацией существует угол падения, именуемый углом Д. Брюстера , при котором отраженная волна отсутствует , а значит, ЭМВ полностью переходит во вторую среду. Для немагнитных диэлектриков () с малыми потерями, согласно выражениям (9.8), при , поскольку .

По закону Снеллиуса (9.3) находим .

Откуда следует

. (9.12)

Для ЭМВ с перпендикулярной поляризацией аналогичного эффекта не существует , а значит, всегда больше нуля.

Угол Брюстера называют также углом полной поляризации .

Если ЭМВ с произвольной поляризацией направлена на диэлектрическую пластину под углом , отраженный луч имеет только перпендикулярную поляризацию , так как параллельно поляризованная компонента полностью проходит через пластину.

На рис. 9.5 приведены ½Г(j) ½ при различных значениях tgd второй среды при отсутствии потерь в первой.

Как видно из графиков, явление полного прохождения наблюдается только при отсутствии потерь проводимости. Если tgd > 0, то при параллельной поляризации график ½Г(j) ½ будет иметь минимум, но нулевого значения не достигнет.

Если подбирать e 2 так, чтобы модуль комплексной e 2 оставался неизменным (), то минимум ½Г(j) ½ будет достигаться при угле падения, равном углу Брюстера.

В случае перпендикулярной поляризации принципиальных изменений в поведении графиков на рис. 9.5 не происходит. Модуль Г(j) с ростом угла падения монотонно возрастает от Г 0 до единицы, а фаза Г(j) практически не отличается от 180° .

Диэлектрические пластины и шайбы, служащие для герметизации и крепления проводников в различных линиях связи и устройствах СВЧ, часто ставят под углом Брюстера. В этом случае на определенной частоте они полностью прозрачны для проходящих волн. Аналогичным образом поступают, если необходимо обеспечить минимальный уровень отраженной волны при падении ЭМВ из воздуха на вещество с Z в , отличающимся от Z 0 воздуха.

Стоячая волна. КСВ. КБВ. При нормальном падении ЭМВ на границу раздела сред в первой среде складываются падающая и отраженная волны, имеющие противоположные направления распространения.

Суперпозиция ЭМВ в первой среде с учетом формул (9.6) определяется так :

С учетом (9.4) выражения (9.13) преобразуем так:

Выражение в квадратных скобках можно назвать множителем стоячей волны , так как эта величина показывает периодически изменяющуюся вдоль координаты х «волнистую структуру» ЭМП (рис. 9.6).

При отсутствии потерь в среде:

. (9.15)

При монотонном изменении х второе слагаемое (9.15) вращается вокруг «1» с удвоенной (по сравнению с падающей волной) частотой. Максимальное значение составляет , а минимальное . Расстояние между соседними экстремумами стоячей волны составляет p/k 1 = l 1 /2 .

Если среды согласованы, то , и в этом случае отраженная ЭМВ отсутствует. Если вторая среда – идеальный проводник, то , и в этом случае будет отсутствовать прошедшая ЭМВ, а в первой среде будет только стоячая волна с удвоенной (относительно падающей ЭМВ) амплитудой.

Из формул (9.13) и (9.14) получаем

, . (9.16)

На рис. 9.7 показана структура ЭМП стоячей волны. Из рис. 9.7 и выражения (9.16) сле­дует, что магнитная и электрическая составляющие имеют фазовый сдвиг на четверть длины волны (± 90°). Среднее значение вектора Пойнтинга в любой точке стоячей волны равно нулю, и передачи энергии нет.

Если перейти от комплексных амплитуд к мгновенным значениям, получим:

За период 2π/w 1 получаются распределения максимальных и минимальных значений, показанные на рис. 9.8, которые соответствуют удвоенной частоте пространственного распределения.

При экспериментальном исследовании пространственной структуры стоячей волны с помощью измерительной линии на выходе детекторной секции получится зависимость вида (рис. 9.9).

1. Сформулируйте законы Снеллиуса.

2. Являются ли законы отражения и преломления плоских волн на границе раздела сред фундаментальными законами природы?

3. Дайте определение коэффициентам отражения и прохождения. Какова область значений этих величин?

4. Каково поведение ЭМВ параллельной поляризации на границе раздела?

5. Охарактеризуйте поведение ЭМВ перпендикулярной поляризации на границе раздела сред.

6. Укажите условие согласования сред.

7. Назовите условия полного прохождения.

8. Назовите условия полного отражения.

9. Есть ли связь между явлением полного прохождения и эффектом полной поляризации?

10. При критическом угле падения исчезает прошедшая волна. Что наблюдается, если угол падения больше критического?

11. Как изменяются условия прохождения ЭМВ через границу раздела в средах с потерями?

12. Возможно ли полное отражение ЭМВ от границы раздела диэлектриков с потерями?

13. Дайте определение стоячей волне. Объясните особенности ее ЭМП.

14. Почему стоячая ЭМВ не переносит энергию, хотя векторы ЭМП и существуют?

15. Дайте определение и укажите область значений КСВ и КБВ.

16. Можно ли получить стоячую волну из бегущих волн?

17. На границу раздела сред без потерь под углом Брюстера падает ЭМВ параллельной поляризации. Найдите соотношения между модулями векторов Пойнтинга в обеих средах и объясните полученный результат с точки зрения закона сохранения энергии.

Формулы Френеля (классическая электродинамика).

Рассмотрим падение плоской гармонической электромагнитной волны на границу раздела двух однородных изотропных непроводящих сред (рис.). Нормаль к поверхности раздела определена вектором , углы между нормалью и направлениями распространения падающей, отражённой и преломлённой волн обозначены символом с подстрочным индексом , или соответственно. Направления распространения описанных плоских волн заданы единичными ортами , и . Вектор в последующих выкладках является радиус-вектором точки наблюдения, а величины и - это фазовые скорости распространения волны в первой (падающая и отражённая волна) и во второй (преломлённая волна) среде. Полагаем, что плоскость поляризации электромагнитной волны является плоскостью колебаний вектора напряжённости электрического поля. Электромагнитную волну с произвольной ориентацией плоскости поляризации представляем в виде суперпозиции двух волн - волны с плоскостью поляризации, параллельной плоскости падения, и волны с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости падения. Таким образом, получаем соотношение:

Если амплитуды колебаний вектора напряжённости электрического поля падающей волны равны соответственно и для той или иной ориентации плоскости поляризации, то имеют мест соотношения:

. (3)

Эти отношения справедливы для выбранных положительных направлений векторов и , показанных на рис. (ось перпендикулярна плоскости рисунка и направлена «на нас», вектор направлен по оси ).

Для вектора напряжённости магнитного поля в падающей волне воспользуемся полученными ранее результатами:

В соотношении (4) вектор - волновой вектор ( , где - длина волны). В соответствии с результатом (4) запишем координатное представление вектора напряжённости магнитного поля падающей волны:

,

.

Пусть - комплексная амплитуда преломлённой волны, при этом направлена «на нас» вдоль оси , а перпендикулярна вектору и направлена в сторону оси . Описанные ориентации амплитуд условно принимаются положительными. Для составляющих электромагнитного поля в преломлённой волне, также как и в падающей волне, получаем зависимости:

, ,

, , (6)

, .

В выражениях (6) мгновенная фаза гармонических колебаний имеет вид:

. (7)

Продолжим описание взаимодействия плоской волны с границей раздела сред. Пусть - комплексная амплитуда отражённой волны, при этом направлена «на нас» вдоль оси , а перпендикулярна вектору и направлена в сторону оси . Описанные ориентации амплитуд условно принимаются положительными. Для составляющих электромагнитного поля в отражённой волне, также как и в падающей волне, получаем зависимости:

, ,

, , (8)

, .

Для отражённой волны мгновенная фаза гармонических колебаний имеет вид:

. (9)

Выписанные выше выражения для мгновенных значений координатных составляющих электромагнитного поля справедливы в любой точке плоскости падения и в любой момент времени.

В соответствии с общими интегральными теоремами электродинамики на границе раздела двух сред ( - координата радиус-вектора точки наблюдения равна нулю) в любой момент времени должны выполняться условия непрерывности касательных компонент вектора напряжённости электрического поля и касательных компонент напряжённости магнитного поля . Последнее условие справедливо, если на поверхности раздела сред отсутствует поверхностная плотность тока проводимости.

Итак, при z=0 требуем выполнения условий:

, , (10)

, . (11)

Обеспечить выполнение условий (10)-(11) в произвольный момент времени можно только, если потребовать выполнения равенства экспоненциальных множителей в выражениях для компонент векторов и на границе раздела. Приравнивая друг другу выражения и при z=0 , убеждаемся, что угол падения равен углу отражения: . Приравнивая друг другу выражения и при z=0 , убеждаемся, что справедлив закон синусов Снеллиуса: синус угла падения относится к синусу угла преломления как фазовая скорость падающей волны к фазовой скорости преломлённой волны (или как показатель преломления второй среды относится к показателю преломления первой среды). Ранее описанный приём был использован безотносительно к природе плоской волны (раздел). Ниже будем пользоваться установленными результатами.

Четыре уравнения (10)-(11) распадаются на две независимые системы:

(12)

(13)

Факт расщепления условий сопряжения электромагнитного поля на границе раздела сред на две независимые системы уравнений служит обоснованием гипотезы Френеля о возможности рассматривать по отдельности явления отражения и преломления световых волн, колебания в которых параллельны или перпендикулярны плоскости падения волны.

Уравнения (12)-(13) записаны с использованием приближения , при этом , . Осталось только решить системы уравнений (12) и (13). После несложных выкладок с использованием известных соотношений между тригонометрическими функциями получаем результаты:

(14)

(15)

Для удобства практических расчётов приведём решения систем уравнений (12)-(13) с использованием понятия показатель преломления:

(16)

(17) Соотношения (14) и (15) позволяют получить соответствующие выражения и для компонент напряжённости магнитного поля, при желании читатель имеет возможность эти выкладки проделать самостоятельно.

Соотношения (14)-(15) полностью решают рассматриваемую проблему. Они получены с использованием условий непрерывности касательных составляющих векторов напряжённости электрического и магнитного полей на границе раздела двух сред (10)-(11). Но из интегральных теорем классической электродинамики следуют определённые условия, которым должны удовлетворять нормальные к границе раздела составляющие тех же векторных полей:

В условии (18) величина - это поверхностная плотность свободных электрических зарядов. Если в уравнение (18) подставить полученные выше решения и воспользоваться приближением исчезающее малого отличия магнитной проницаемости сред от единицы,

то получим с учётом второго из уравнений системы (12), которое выше использовалось для получения решения, что на поверхности раздела сред действительно не может быть отличной от нуля поверхностной плотности свободных электрических зарядов. А если в уравнение (19) подставить полученные выше решения, то с той же степень точности получаем второе из уравнений системы (13). Таким образом, можно считать доказанным, что нормальные компоненты векторов напряжённости электрического и магнитного поля

удовлетворяют условиям на границе раздела двух сред. Мы ещё раз имеем возможность убедиться в том, насколько внутренне строго организована электромагнитная волна.

Экспериментальная проверка формул Френеля основана на измерении отношения интенсивности отражённой волны к интенсивности падающей волны. Если падающий свет является естественным, осреднённые значения квадратов амплитуд колебаний и совпадают, при этом справедливо соотношение:

, (20)

где - интенсивность естественного падающего света, - интенсивность отражённого частично поляризованного света. Соотношение (20) многократно экспериментально проверялось, оно хорошо описывает экспериментальные результаты. Ради полноты обсуждения проблемы заметим, что в оптике известны случаи отклонения от формул Френеля, но связаны они не с основами электродинамики, а с тем, что выше рассматривалась идеализированная модель явления, упрощённо описывающая свойства поверхности раздела и, вообще говоря, динамические свойства материальных сред.

Сравнивая выражения (14) и (15) с «формулами Френеля», убеждаемся в их идентичности. Но в рамках классической электродинамики в отличие от теории Френеля не содержится внутренне противоречивых элементов, правда, – следует и об этом не забывать – к такому триумфу физики шли около 40 лет.

Наклонное падение плоской гармонической электромагнитной волны на границу раздела сред диэлектрик-проводник .

Целью настоящего раздела является описание явления отражения-преломления плоской однородной гармонической волны при её наклонном падении на плоскую границу раздела диэлектрической среды и проводящей среды. Необходимость вернуться к этому вопросу после рассмотрения формул Френеля для случая наклонного падения электромагнитной волны на границу раздела двух диэлектрических сред обусловлена некоторыми новыми специфическими закономерностями явления, которые возникают из-за того, что одна из сред является проводящей.

Переменное электромагнитное поле описывается системой уравнений Максвелла в дифференциальной форме, величины диэлектрической и магнитной проницаемостей и удельной электропроводности гипотетической (т.е. модельной) среды считаем независящими от времени и пространственных координат. В непроводящей среде (диэлектрик) выполняется условие .

Решение системы уравнений Максвелла представляем в форме плоских гармонических бегущих волн:

где - текущее время, - круговая частота волны, - период колебаний физической величины, принимающей участие в волновом процессе. Здесь - вектор напряжённости электрического поля, - вектор напряжённости магнитного поля, - вектор электрического смещения, - вектор магнитной индукции, - объёмная плотность сторонних электрических зарядов. Предполагаем, как и прежде, что круговая частота является вещественной постоянной скалярной величиной, а вектор - радиус-вектором точки наблюдения. Волновой вектор ниже рассматриваем как вектор с комплексными компонентами:

где отличные друг от друга по величине и направлению векторы и имеют вещественные компоненты.

Векторные величины в соотношении (1) будем считать постоянными векторными величинами (амплитудами плоских гармонических волн). Результаты вычисления дивергенции и ротора векторных величин (1) были не один раз описаны в предыдущих разделах. Таким образом, система уравнений переменного гармонического электромагнитного поля, записанная для векторов напряжённости электрического и магнитного полей, формально приобретает «алгебраический» вид.

Формулы Френеля

Определим связь между амплитудами падающей, отраженной и преломленной волн. Рассмотрим вначале падающую волну с нормальной поляризацией. Если падающая волна имеет нормальную поляризацию, то и отраженная и преломленная волны будут иметь такую же поляризацию. В справедливости этого можно убедиться, анализируя граничные условия на поверхности раздела сред.

Если иметь составляющую с параллельной поляризацией, то граничные условия не будут выполняться ни в одной точке граничной поверхности.

Плоскость падения волны параллельна плоскости (ZoY). Направления распространения отраженной и преломленной волн также будут параллельны плоскости (ZoY) и у всех волн угол между осью X и направлением распространения волны будет равен: , а коэффициент

В соответствии со сказанным выше вектор всех волн параллелен оси X, а векторы параллельны плоскости падения волны (ZoY), поэтому у всех трёх волн проекция вектора на ось X равна нулю:

Вектор падающей волны определяется выражением:

Вектор падающей волны имеет две составляющие:

Уравнения для векторов отраженной волны имеют вид:

Уравнения для векторов поля преломленной волны имеют вид:

Для нахождения связи между комплексными амплитудами падающей, отраженной и преломленной волн воспользуемся граничными условиями для касательных составляющих векторов электромагнитного поля на границе раздела сред:

Поле в первой среде на границе раздела сред в соответствии с (1.27) будет иметь вид:

Поле во второй среде определяется полем преломленной волны:

Так как вектор всех трёх волн параллелен границе раздела сред, а касательная составляющая вектора есть составляющая, то граничные условия (1.27) можно представить в виде:

Падающая и отраженная волны являются однородными, поэтому для них справедливы равенства:

где - волновое сопротивление первой среды.

Так как поля любой из рассматриваемых волн связаны между собой линейной зависимостью, то для преломления волн можно записать:

где - коэффициент пропорциональности.

Из выражений (1.29) получим проекции векторов:

Подставив равенства (1.31) в уравнения (1.28) и учтя равенство (1.30), получим новую систему уравнений:

Отражение и преломление на границе двух идеальных диэлектриков

У идеальных диэлектриков потери отсутствуют и. Тогда диэлектрические проницаемости сред - действительные величины и коэффициенты Френеля тоже будут действительными величинами. Определим, при каких условиях падающая волна без отражения переходит во вторую среду. Это происходит при полном прохождении волны через границу раздела сред и коэффициент отражения в этом случае должен быть равен нулю:

Рассмотрим падающую волну с нормальной поляризацией.

Коэффициент отражения будет равен нулю: в случае, если равен нулю числитель в формуле (1.34):

Однако, следовательно, для волны с нормальной поляризацией при любых углах падения волны на границу раздела. Это значит, что волна с нормальной поляризацией всегда отражается от границы раздела сред.

Волны с круговой и эллиптической поляризацией, которые можно представить в виде суперпозиции двух линейно поляризованных волн с нормальной и параллельной поляризацией, будут отражаться при любых углах падения на границу раздела сред. Однако соотношение между амплитудами нормально и параллельно поляризованных составляющих в отраженной и преломленной волнах будут иным, чем в падающей волне. Отражённая волна будет линейно поляризованной, а преломленная - эллиптически поляризованной.

Рассмотрим падающую волну с параллельной поляризацией.

Коэффициент отражения будет равен нулю: в случае, если равен нулю числитель в формуле (1.35):

Решив уравнение (1.37), получим:

Таким образом, падающая волна с параллельной поляризацией без отражения проходит через границу раздела, если угол падения волны определяется выражением (1.38). Этот угол называется угол Брюстера.

Определим, при каких условиях будет происходит полное отражение падающей волны от границы раздела двух идеальных диэлектриков. Рассмотрим случай, когда падающая волна распространяется в более плотной среде, т.е. .

Известно, что угол преломления определяется из закона Снеллиуса:

Так как: , то из выражения (1.38) следует, что:.

При некотором значении угла падения волны на границу раздела сред получаем:

Из равенства (1.40) видно, что: и преломленная волна скользит вдоль границы раздела сред.

Угол падения волны на границу раздела сред, определяемый уравнением (1.40), называется критическим углом:

Если угол падения волны на границу раздела сред больше критического: , то. Амплитуда отражённой волны, независимо от вида поляризации, равна по амплитуде падающей волне, т.е. происходит полное отражение падающей волны.

Остается выяснить, проникает ли электромагнитное поле во вторую среду. Анализ уравнения преломленной волны (1.26) показывает, что преломленная волна представляет собой плоскую неоднородную волну, распространяющуюся во второй среде вдоль границе раздела. Чем больше различие проницаемости сред, тем быстрее уменьшается поле во второй среде при удалении от границы раздела. Поле практически существует в достаточно тонком слое у границы раздела сред. Подобная волна называется поверхностной.

ФРЕНЕЛЯ ФОРМУЛЫ - определяют отношения амплитуды, фазы и состояния отражённой и преломлённой световых волн, возникающих при прохождении света через границу раздела двух прозрачных , к соответствующим характеристикам падающей волны. Установлены О. Ж. Френелем в 1823 на основе представлений об упругих поперечных колебаниях эфира. Однако те же самые соотношения - Ф. ф.- следуют в результате строгого вывода из эл--магн. теории света при решении ур-ний Максвелла.

Пусть плоская световая волна падает на границу раздела двух сред с показателями преломления п 1 и п 2 (рис.). Углы j, j" и j"" есть соответственно углы падения, отражения и преломления, причём всегда n 1 sinj=n 2 sinj"" (закон преломления) и |j|=|j"| (закон отражения). Амплитуду электрического вектора падающей волны А разложим на составляющую с амплитудой А р , параллельную плоскости падения, и составляющую с амплитудой A s , перпендикулярную плоскости падения. Аналогично разложим амплиту ды отражённой волны R на составляющие R p и R s , а преломлённой волны D - на D p и D s (на рис. показаны только р -составляющие). Ф. ф. для этих амплитуд имеют вид

Из (1) следует, что при любом значении углов j и j"" знаки А р и D p совпадают. Это означает, что совпадают и фазы, т. е. во всех случаях преломлённая волна сохраняет фазу падающей. Для компонент отражённой волны (R p и R s )фазовые соотношения зависят от j, n 1 и n 2 ; если j=0, то при n 2 >n 1 фаза отражённой волны сдвигается на p.

В экспериментах обычно измеряют не амплитуду световой волны, а её интенсивность, т. е. переносимый ею поток энергии, пропорциональный квадрату амплитуды (см.

Лит.: Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Калитеевский Н. И., Волновая оптика, 2 изд., М., 1978. Л. Н. Капорский .

Поляризованный и естественный свет. Плоская волна называется линейнополяриз о ванной или плоскополяризованной) если колебания вектора Й происходят в одной плоскости, перпендикулярной фронту волны (ее называют плоскостью поляризации волны). Монохроматическая плоская волна либо линейно поляризована, либо поляризована по эллипсу или по кругу (см. разд. 4.5). Эллиптически поляризованная волна представляет собой сумму двух взаимно пер», пендикулярных плоских волн, между колебаниями которых имеется

разность фаз. Естественный свет, испущенный нагретыми телами, является неполяризованным, поскольку направление колебаний вектора Р в каждой точке быстро и хаотически меняется. Смесь естественного и поляризованного света называется частично поляризованным светом.

Поляризатором называется устройство, поглощающее свет, поляризованный в одной плоскости, но пропускающее свет, поляризованный в перпендикулярной плоскости. Плоскость поляризации прошедшего света называют плоскостью пропускания поляризатора. Если естественный свет пропустить через поляризатор, то он станет линейно поляризованным, а его интенсивность уменьшится в два раза (если нет поглощения в плоскости пропускания поляризатора). Если линейно поляризованный свет интенсивностью пропустить через поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол а с плоскостью колебаний световой волны, то интенсивность прошедшей волны будет составлять

(закон Малюса). Объясняется это тем, что линейно поляризованный свет с амплитудой представляет собой сумму двух линейно поляризованных волн: волна, поляризованная в плоскости пропускания (ее амплитуда равна , пройдет через поляризатор без изменений, а вторая волна будет поглощена.

Отражение и преломление волн. Формулы Френеля.

Интенсивность и поляризация отраженной и преломленной волн зависят от того, как поляризована падающая волна. Запишем граничные условия на поверхности раздела двух сред:

Здесь нижние индексы обозначают тангенциальную и нормальную компоненты, а верхние индексы соответствуют падающей, отраженной и преломленной волнам. Для плоской монохроматической волны

соотношения для волновых векторов (рис. 75) имеют вид:

где . Из этих соотношений получим закон отражения. В случае, когда приходим к закону Снеллиуса: Если то происходит полное отражение: оказывается мнимым, т.е. амплитуда прошедшей волны экспоненциально затухает с характерной глубиной проникновения

Амплитуды прошедшей и отраженной волн зависят от поляризации падающей волны. Приведем результат для отраженных волн:

(формулы Френеля). Здесь первая формула относится к волне, поляризованной в плоскости падения, а вторая - к волне, поляризованной в перпендикулярной плоскости. Видно, что при угле падения, удовлетворяющем условию волна, поляризованная в плоскости падения, отражаться не будет. Так как в этом случае , то угол падения, при котором отраженная волна будет линейно поляризованной перпендикулярно плоскости падения (угол Брюстера), удовлетворяет соотношению:

Качественное объяснение состоит в том, что в этом случае направление колебаний диполей (указаны на рисунке), возбужденных во второй среде волной, поляризованной в плоскости падения, оказывается параллельным направлению отраженной волны (отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны"). Но осциллятор не излучает волну в направлении своих колебаний (см. разд. 4.5).

В случае нормального падения различие между поляризациями пропадает:

Видно, что при отражении от оптически более плотной среды фаза колебаний сменяется на противоположную (точнее, к фазе добавляется ).

Отношение отраженной энергии к энергии падающей называется коэффициентом отражения. При нормальном падении он равен

Коэффициент пропускания равен Коэффициенты зависят только от относительного показателя преломления двух сред.

Пример. Просветление оптики. Коэффициент отражения стекол в оптических приборах невелик (несколько процентов). Тем не менее важной задачей

является уменьшение отражения для определенных длин волн. Для этого на поверхность наносят прозрачную пленку с показателем преломления показатель преломления стекла) и толщиной Оптическая разность хода между лучами, отраженными от поверхностей пленки, равна (изменение фазы при отражении учитывать не надо, так как оно происходит у каждого из лучей), а коэффициенты отражения на этих поверхностях будут близки друг к другу (см. формулу (15)). В результате произойдет почти полное гашение отраженного света.

Оптически анизотропные среды. В случае сред, обладающих анизотропией, векторы в общем случае уже не параллельны друг другу. Линейная связь между ними носит тензорный характер, т.е. каждая из компонент вектора Й выражается в виде линейной комбинации всех трех компонент вектора . Существуют три взаимно перпендикулярные оси, называемые диэлектрическими осями кристалла, для которых Значения называются главными диэлектрическими проницаемостями кристалла. Мы рассмотрим только случай одноосных кристаллов, у которых две из трех равны друг другу Выделенная ось называется оптической осью кристалла.

При распространении в одноосном кристалле плоской волны вводят главное сечение кристалла - плоскость, проходящую через оптическую ось и вектор нормали к фронту волны. Оказывается, что распространение линейно поляризованной световой волны зависит от направления ее поляризации. Волна, поляризованная перпендикулярно главному сечению, называется обыкновенной. Скорость распространения такой волны не зависит от направления;

колебания векторов направлены одинаково; направление распространения энергии (т.е. вектора Пойнтинга ) перпендикулярно фронту волны. Волна, поляризованная параллельно главному сечению, называется необыкновенной. Скорость ее распространения зависит от угла между и оптической осью (при угле между ними она равна Колебания векторов происходят в разных направлениях, вектор Пойнтинга не перпендикулярен к фронту волны (нормаль к фронту волны параллельна ). Разница между обыкновенным и необыкновенным лучами исчезает только при распространении света параллельно оптической оси.

При падении света на поверхность кристалла он разделяется на обыкновенный и необыкновенный лучи, линейно поляризованные перпендикулярно друг другу и имеющие разные показатели преломления. Закону преломления (см. разд. 5.1) подчиняется направление распространения фронта необыкновенной волны, сам же луч может выйти из плоскости падения. Даже при нормальном падении луча на кристалл, вырезанный под углом к оптической оси, происходит пространственное разделение лучей (рис. 76). Положения

фронтов указаны черточками, положение оптической оси - стрелкой. Необыкновенный луч поляризован в плоскости чертежа, обыкновенный перпендикулярно ей.

Для получения и анализа поляризованного света используют поляризационные призмы (николи), разрезанные под углом к распространению лучей таким образом, что обыкновенный луч испытывает на плоскости разреза полное отражение и уходит в сторону, а необыкновенный луч проходит прямо. Другой способ получения поляризованного света основан на различии в поглощении обыкновенного и необыкновенного лучей в некоторых веществах. При пропускании света через дихроичную пластину (пластинку турмалина, поляроид) обыкновенный луч поглощается, и наружу выходит линейно поляризованный необыкновенный луч.

Для анализа характера поляризации света изучают зависимость интенсивности от ориентации николя. Если интенсивность не меняется, то свет либо естественный, либо поляризован по кругу. Чтобы различить эти случаи, используют пластинку в четверть волны, или компенсатор. Толщина пластинки подобрана так, чтобы разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами равнялась Сдвиг фаз между взаимно перпендикулярными колебаниями станет равным либо нулю, либо и круговая поляризация превратится в линейную.

Вращение плоскости поляризации. При распространении в некоторых веществах (их называют оптически активными) линейно поляризованного света происходит вращение плоскости поляризации. Угол поворота пропорционален толщине пластины: где а - вращение на единицу длины. В зависимости от направления поворота различают право- и левовращающие вещества. Пример - пластинка кварца, вырезанная перпендикулярно оптической оси (кварц бывает как лево-, так и правовращающим). В растворах оптически активного вещества в неактивном растворителе а пропорционально концентрации. Молекулы активных веществ обладают асимметрией по отношению к правому и левому вращению по типу спирали. Явление вращения плоскости поляризации можно охарактеризовать как круговое двойное лучепреломление. Волны, поляризованные по кругу в разные стороны, распространяются с разными скоростями, т.е. разность фаз между ними меняется. Сумма двух таких колебаний представляет собой линейное колебание, направление которого зависит от разности фаз.

Искусственная анизотропия. При помещении многих изотропных тел в однородное электрическое поле у них возникает одноосная анизотропия с оптической осью, ориентированной параллельно напряженности поля (электр о оптический эффект Керра). Разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами при распространении света перпендикулярно Р пропорциональна квадрату напряженности:

где I - толщина слоя вещества, а В называется постоянной Керра. Искусственная анизотропия возникает в тех случаях, когда поляризуемость молекул вещества зависит от их ориентации по отношению к полю. Аналогичный эффект возникает при помещении некоторых веществ в магнитное поле (эффект Коттона-Мутона). Он описывается соотношением

При помещении неактивных веществ в сильное магнитное поле может возникнуть оптическая активность для света, распространяющегося параллельно вектору Й (магнитное вращение плоскости поляризации). Вращение на единицу длины в этом случае (для и парамагнетиков) пропорционально величине магнитной индукции: где называется постоянной Верде.