§ 3 . Поляризация волн при отражении и рассеянии света (1120495), страница 2
Текст из файла (страница 2)
С увеличением размеровчастиц зависимость интенсивности рассеянного света от длиныволны становится всё более слабой. Физическая причина этогопонятна – с ростом D всё более заметную роль играетдеструктивнаяинтерференция,причём,преждевсегоонаначинает проявляться в рассеянии коротких волн. При рассеяниисвета на больших частицах (D ∼ λ) интенсивность рассеянногосвета очень слабо зависит от длины волны. Именно поэтомуоблака имеют белый цвет (на фоне голубого неба, где рассеяние«рэлеевское»).Рассеяние света на частицах, размер которых D ≥ λ,теоретически рассмотрено немецким физиком Г. А . Ми, поэтомурассеяние на больших частицах иногда называют рассеянием Ми.142Колебания и волны.
Волновая оптика2. В тех случаях, когда рассеяние света играет существеннуюроль, интенсивность “первичного” пучка света убывает, посколькуэнергия волн, “уходит” в стороны. Этот эффект отличается отобычного поглощения, и его учитывают введением в соотношение(5.1) дополнительного параметра:I(x) = I0e – ( æ– æ′)x(5.10).Постоянная æ ′ , описывающая снижение интенсивности пучкасвета из-за рассеяния, называется коэффициентом экстинкции(от латинского extinctio – гашение).3. При рассеянии света молекулами, наряду с обычнымрассеянием без изменения частоты (такое рассеяние называютупругим), в рассеянном свете присутствуют волны, частотакоторых несколько смещена относительно частоты падающегосвета ω. Это смещение частоты ω ± Ω обусловлено модуляциейамплитуды рассеянной волны за счет колебательного движенияатомов в молекуле (с частотой Ω).
Такое рассеяние называется«комбинационным» (“неупругим”). Несмотря на весьма небольшуюинтенсивность неупруго рассеянных волн (часто на многопорядков меньше интенсивности рассеянных волн с частотой ω),метод спектроскопии комбинационного рассеяния света*) широкоприменяется в химии для изучения строения молекул и ихвзаимодействиясокружающейсредой.Существенно,чтоспектры комбинационного рассеяния и поглощения света винфракрасной области (ИК-спектроскопия) взаимно дополняютдруг друга, поскольку в поглощении и комбинационном рассеяниипроявляются различные колебательные движения молекул.*)В иностранной научной литературе чаще используется термин «рамановское рассеяние».143Глава V.
Поляризация волн3. Поляризация света при отраженииПусть пучок световых волн падает на плоскую границу двухпрозрачныхАIIIn1n2α α′Oβдиэлектриков,показателипреломления которых n1 и n2 – см.рис.5.10.Обедиэлектрическиесредыбудем считать однородными, так чторассеяние света в объёме диэлектриковотсутствует.Рис.5.10двухнеоднородность;среды,Однакосредизлучениерасположенныхсамаэлементарныхвблизиграницапоразделасебедиполейповерхности–второйразделаобусловливает возникновение отраженной волны II. Напомним,что,всоответствииотражённый лучсзаконамигеометрическойоптики,лежит в плоскости падения (т.е. в плоскости,содержащей падающий луч I и нормаль к границе разделадиэлектриков ОА); угол падения α равен углу отражения α ′ .Пусть падающие световые волны плоско поляризованы,rпричём плоскость колебаний вектора Е совпадает с плоскостьюпадения.
Такие волны вызывают колебания электронов в атомахrобоих диэлектриков, совпадающие по направлению с Е . Поэтомуориентацияэлементарныхизлучателей–диполейстрогофиксирована – все они также лежат в плоскости падения иперпендикулярны соответствующим лучам – см. рис.5.11,а.Отражённая от границы раздела диэлектриков волна II естьрезультат интерференции волн, испускаемых элементарнымиизлучателями второй среды (вблизи её поверхности).
Приизменении угла падения α меняется также угол преломления β и,144Колебания и волны. Волновая оптикаIIIα α′On1n2асоответственно,IIIIαБO•90°бnnIII•••O•••••Рис.5.11ориентация••II••nnввозбужденныхI•••αБ••O••90°••••IInnIIIгдиполейвторогодиэлектрика относительно направления отражённого луча II. Вчастности, при некотором значении угла падения α = αБ (этот уголпринято называть «углом Брюстера») элементарные излучателивторого диэлектрика будут направлены точно вдоль луча II –рис.5.11,б. При этом излучение вторичных волн по направлениюлуча II невозможно (см. диаграмму направленности дипольногоизлучателя – рис.5.7). Отсюда следует, что световая волна,плоскость колебаний которой совпадает с плоскостью падения и,угол падения которой на границу раздела диэлектриков равенуглу αБ, вообще не отражается этой границей (интенсивностьотраженного луча равна нулю, имеется только преломленный луч III).Значение угла Брюстера αБ легко найти, используя законпреломления:sin α n2= .sin β n1(5.11)Учитывая, что αБ + βБ = π/2 (рис.5.11,б), имеем sinβБ = sin(π/2 – αБ) == cosαБ и из (5.11) получаем:tgα Б =n2.n1(5.12)145Глава V.
Поляризация волнЕслиплоскостьколебанийпадающеголучаIперпендикулярна плоскости падения (рис.5.11,в), то, независимоотвеличиныуглападенияα,элементарныеизлучателидиэлектрика с показателем преломления n2, перпендикулярныплоскости падения и отраженному лучу II. Следовательно,интенсивность отражённого луча II для таких волн при любыхзначениях α отлична от нуля.Еслинаграницунеполяризованныйсвет,разделапричёмдиэлектриковуголпаденияпадаетравенуглуБрюстера, то в отражённом луче будут присутствовать тольковолны, плоскость колебаний которых перпендикулярна плоскостипадения(т.е.отраженныйлучIIплоскополяризован).Соответственно, преломленный луч будет частично плоскополяризован (обогащён волнами, плоскость колебаний которыхсовпадает с плоскостью падения). При произвольной величинеугла падения пучка естественного света оба пучка – отражённый, ипреломленный – частично плоско поляризованы (в отражённомсвете всегда больше волн, плоскость колебаний которых перпендикулярна плоскости падении; в преломленном свете этих волн,соответственно, меньше).Примечания1.
«Окна Брюстера» в лазерах. В газовых лазерах активноевещество (аргон, смесь гелия и неона, двуокись углерода – взависимости от типа лазера) помещается в стеклянную трубку сплоскопараллельными торцевыми окнами. Трубка находитсямежду зеркалами, так что выходящий из лазера луч светамногократно (∼ 100 раз) проходит через окна трубки с активным146Колебания и волны. Волновая оптикавеществом.Еслиокнатрубкиасделатьперпендикулярными к проходящему пучкусвета(см.рис.5.12,а),прохожденииокнатобудетприбкаждомтерятьсянаРис.5.12отражение ∼ 8% интенсивности падающегосвета, а после 100 прохождений исходный пучок ослабитсяприблизительно в 3000 раз, что совершенно недопустимо длянормального функционирования лазера.Выход из этой, на первый взгляд, тупиковой ситуации состоитв использовании окон, наклонённых по отношению к пучкупроходящегосветанауголБрюстера(см.рис.5.12,б).Врезультате многократного прохождения через трубку с такимиокнами волны, плоскость колебаний которых перпендикулярнаплоскости падения (плоскости рисунка), практически полностьюrпотеряются из-за отражений, тогда как волны, с векторами Е ,лежащими в плоскости падения, пройдут через оптическую систему сколько угодно раз почти без потерь на отражение.
В итогеинтенсивность исходного пучка света уменьшится не в тысячираз, а всего 2 раза, что вполне приемлемо. Именно из-за такогоустройства оптической системы луч света, выходящий из газовоголазера, полностью плоско поляризован.2. Об отражении от поверхностиотражении(металла,светаотповерхностиполупроводника)из-запроводника. Припроводящегосильноговеществапоглощениявприповерхностном слое этого вещества состояние поляризацияотражённого луча изменяется иначе, нежели при отражении отповерхности диэлектрика.
В частности, ни при каком значении147Глава V. Поляризация волнугла падения естественного света отражённый свет не будетполностью плоско поляризован (нет угла Брюстера). Если свет,падающий на поверхность проводника, плоско поляризован, тоотраженный свет в общем случае оказывается поляризованнымэллиптически.
Характер эллиптической поляризации отраженногопучка чрезвычайно чувствителен к состоянию отражающейповерхности – присутствию на ней тонких диэлектрическихплёнок или даже отдельных молекул (до десятых и сотых долеймонослоя). На изучении состояния эллиптической поляризацииотраженногоотповерхностиэкспериментальныйкоторыйширокометод,проводниковназываемыйиспользуетсядлясветаоснован«эллипсометрией»,измеренияпараметров(толщины, показателя преломления) тонких диэлектрических (вчастности,окисных)плёнок,нанесённыхнаповерхностиметаллов или полупроводников. Метод применяется также и дляисследования адсорбционных процессов или химических реакций,происходящих на этих поверхностях.148.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
