Brewsters Winkel

Eine Illustration der Polarisation des Lichts, die auf einer Schnittstelle in Brewsters Winkel fällt.

Brewsters Winkel (auch bekannt als die Polarisationswinkel) ist ein Inzidenzwinkel bei welchem hell mit einem bestimmten Polarisation wird perfekt durch einen transparenten übertragen Dielektrikum Oberfläche, mit nein Betrachtung. Wann unpolarisiert Das Licht ist in diesem Winkel festgefallen, das Licht, das von der Oberfläche reflektiert wird, ist daher perfekt polarisiert. Dieser besondere Inzidenzwinkel ist nach dem schottischen Physiker benannt Sir David Brewster (1781–1868).[1][2]

Erläuterung

Wenn Licht auf eine Grenze zwischen zwei trifft Medien mit unterschiedlichen BrechungsindizesEinige davon werden normalerweise wie in der obigen Abbildung gezeigt. Der Bruch, der reflektiert wird, wird von der beschrieben Fresnel -Gleichungenund hängt von der Polarisation und dem Inzidenzwinkel des ankommenden Lichts ab.

Die Fresnel -Gleichungen sagen dieses Licht mit dem vor p Polarisierung (elektrisches Feld polarisiert im gleichen Flugzeug als die Incident Ray und die Oberfläche normal wird am Punkt der Inzidenz nicht reflektiert, wenn der Inzidenzwinkel ist

wo n1 ist der Brechungsindex des Anfangsmediums, durch das sich das Licht ausbreitet (das "einfallende Medium") und n2 ist der Index des anderen Mediums. Diese Gleichung ist bekannt als Brewsters Gesetzund der durch ihn definierte Winkel ist Brewsters Winkel.

Der physikalische Mechanismus dafür kann qualitativ aus der Art und Weise verstanden werden, in der elektrisch Dipole in den Medien reagieren auf p-polarisiertes Licht. Man kann sich vorstellen, dass Licht, das auf der Oberfläche fällt, absorbiert und dann durch oszillierende elektrische Dipole an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien neu abgehalten wird. Die Polarisation von frei ausbreitender Licht ist immer senkrecht zur Richtung, in der das Licht wandert. Die Dipole, die das übertragene (gebrochene) Licht in der Polarisationsrichtung dieses Lichts produzieren. Dieselben oszillierenden Dipole erzeugen auch das reflektierte Licht. Dipole strahlen jedoch keine Energie in Richtung der Dipolmoment. Wenn das gebrochene Licht ist p-Polarisiert und verbreitet sich genau senkrecht zur Richtung, in der das Licht vorausgesetzt wird spiegelend reflektiertDie Dipole zeigen entlang der spiegelenden Reflexionsrichtung und daher kann kein Licht reflektiert werden. (Siehe Diagramm oben)

Mit einfacher Geometrie kann dieser Zustand ausgedrückt werden als

wo θ1 ist der Reflexionswinkel (oder Inzidenz) und θ2 ist der Brechungswinkel.

Verwendung Snells GesetzAnwesend

Man kann den einfallenden Winkel berechnen θ1 = θB worauf kein Licht reflektiert wird:

Lösung für θB gibt

Für ein Glasmedium (n2 ≈ 1,5) in der Luft (n1 ≈ 1), Brewsters Winkel für sichtbares Licht beträgt ungefähr 56 °, während für eine Luftwasserschnittstelle (Grenzfläche (n2 ≈ 1,33), es ist ungefähr 53 °. Da sich der Brechungsindex für ein bestimmtes Medium abhängig von der Wellenlänge des Lichts ändert, variiert auch der Winkel von Brewster mit der Wellenlänge.

Das Phänomen des Lichts, das durch Reflexion von einer Oberfläche in einem bestimmten Winkel polarisiert wurde Étienne-Louis Malus im Jahr 1808.[3] Er versuchte, den polarisierenden Winkel mit dem Brechungsindex des Materials zu beziehen, war jedoch frustriert über die inkonsistente Qualität der zu diesem Zeitpunkt verfügbaren Brille. Im Jahr 1815 experimentierte Brewster mit hochwertigen Materialien und zeigte, dass dieser Winkel eine Funktion des Brechungsindex war und das Gesetz von Brewster definierte.

Brewsters Winkel wird oft als "polarisierender Winkel" bezeichnet, da Licht, das von einer Oberfläche in diesem Winkel reflektiert wird Inzidenzebene (""s-Polarisiert "). Eine Glasplatte oder ein Stapel Platten, die in Brewsters Winkel in einem leichten Strahl platziert sind, kann daher als verwendet werden Polarisator. Das Konzept eines polarisierenden Winkels kann auf das Konzept einer Brewster -Wellenzahl ausgedehnt werden, um planare Schnittstellen zwischen zwei Linear abzudecken bianisotrope Materialien. Bei Reflexion in Brewsters Winkel sind die reflektierten und gebrochenen Strahlen senkrecht senkrecht.

Für magnetische Materialien kann Brewsters Winkel nur für eine der einfallenden Wellenpolarisationen bestehen, wie durch die relativen Stärken der dielektrischen Permittivität und der magnetischen Permeabilität bestimmt.[4] Dies hat Auswirkungen auf die Existenz verallgemeinerter Brewster -Winkel für dielektrische Metasurfaces.[5]

Anwendungen

Im Brewster -Winkel gibt es nein Reflexion der p Polarisation, in dennoch größeren Winkeln die Reflexionsfaktor des p Polarisation ist immer geringer als die der s Polarisation, fast bis zu 90 ° Inzidenz, bei der das Reflexionsvermögen jeder Einheit steigt. So reflektiertes Licht von horizontalen Oberflächen (wie der Oberfläche einer Straße) in einer Entfernung, die viel größer ist als die Höhe (so dass der Inzidenzwinkel von spiegelend reflektiertem Licht nahezu oder weit über den Brewster -Winkel hinaus ist) stark ist s-Polarisiert. Polarisierte Sonnenbrille verwenden ein Blatt von Polarisierungsmaterial horizontal-polarisiertes Licht blockieren und somit reduzieren Blendung in solchen Situationen. Diese sind am effektivsten mit glatten Oberflächen, wo Spiegelreflexion (somit aus Licht dessen Inzidenzwinkel ist der gleiche wie der durch den Winkel beobachtete Reflexionswinkel ist dominant, aber sogar diffuse Reflexionen Zum Beispiel von Straßen sind ebenfalls erheblich verringert.

Fotografen verwenden auch polarisierende Filter, um Reflexionen aus Wasser zu entfernen, damit sie Objekte unter der Oberfläche fotografieren können. Verwendung einer polarisierende Kameraansatz Dies kann gedreht werden, ein solcher Filter kann eingestellt werden, um die Reflexionen von anderen Objekten als horizontale Oberflächen zu reduzieren, wie sie in der dazugehörigen Fotos (rechts) zu sehen sind, wo die s Die Polarisation (ungefähr vertikal) wurde unter Verwendung eines solchen Filters beseitigt.

Fotos, die eines Fensters mit einem Kamera -Polarisatorfilter aufgenommen wurden, drehten sich zu zwei verschiedenen Winkeln. Auf dem Bild links ist der Polarisator darauf ausgerichtet, nur die vertikale Polarisation zu bestehen, die stark aus dem Fenster reflektiert wird. Auf dem Bild recht p (Horizontal in diesem Fall) Polarisation.

Bei der Aufnahme einer Klassiker HologrammDer helle Referenzstrahl ist typischerweise angeordnet, um den Film in der zu schlagen p Polarisierung in Brewsters Winkel. Durch die Beseitigung des Reflexionsstrahls an der transparenten Rückenfläche des holographischen Films werden unerwünschte Interferenzeffekte im resultierenden Hologramm vermieden.

Eingangsfenster oder Prismen mit ihren Oberflächen im Brewster -Winkel werden üblicherweise in der Optik und der Laserphysik verwendet. Das polarisierte Laserlicht tritt ohne reflektierende Verluste in den Prisma in Brewsters Winkel ein.

In der Oberflächenwissenschaft, Brewster Winkelmikroskope werden verwendet, um Schichten von Partikeln oder Molekülen an Luft-Flüssigkeiten-Grenzflächen abzubilden. Unter Verwendung von Beleuchtung durch einen Laser im Winkel des Brewster zur Grenzfläche und Beobachtung im Reflexionswinkel reflektiert die gleichmäßige Flüssigkeit nicht schwarz im Bild. Allerdings ermöglichen alle molekularen Schichten oder Artefakte an der Oberfläche, deren Brechungsindex oder physikalische Struktur mit der Flüssigkeit kontrastiert, eine gewisse Reflexion mit dem schwarzen Hintergrund, der von einer Kamera erfasst wird.

Brewster Windows

Ein Brewster -Fenster

Gaslaser Verwenden eines externen Hohlraum (Reflexion durch einen oder beide Spiegel außen das Medium gewinnen) Verschließen Sie das Röhrchen im Allgemeinen mit Fenstern, die im Winkel des Brewster geneigt sind. Dies verhindert, dass Licht in der beabsichtigten Polarisation durch Reflexion (und die Verringerung des Roundtrips des Lasers) verloren geht, was bei Lasern mit einem niedrigen Hin- und Rückgang von entscheidender Bedeutung ist. Andererseits tut Löschen s Polarisiertes Licht, erhöht den Verlust des Hin- und Rücktriebs für diese Polarisation und die Versicherung des Lasers schwingt nur in einer linearen Polarisation oszilliert, wie es normalerweise gewünscht wird. Und viele versiegelte Röhrenlaser (die nicht einmal Fenster benötigen) haben eine Glasplatte im Röhrchen im Brewster-Winkel eingesetzt, nur um Lasing in nur einer Polarisation zuzulassen.[6]

Pseudo-Brewsters Winkel

Wenn die reflektierende Oberfläche absorbiert, Reflexionsvermögen bei paralleler Polarisation (p) durch ein Minimum ungleich Null am sogenannten Pseudo-Brewsters Winkel.[7][8]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Brewster, David (1815). "Über die Gesetze, die die Polarisation des Lichts durch Reflexion von transparenten Körpern regulieren". Philosophische Transaktionen der Royal Society of London. 105: 125–159. doi:10.1098/rstl.1815.0010.
  2. ^ Lakhtakia, Akhlesh (Juni 1989). "Würde Brewster den heutigen Brewster -Winkel erkennen?" (PDF). Optiknachrichten. 15 (6): 14–18. doi:10.1364/on.15.6.000014.
  3. ^ Sehen:
    • Malus (1809) "Sur une propriété de la lumière réfléchie" (Auf einer Eigenschaft aus reflektiertem Licht), Mémoires de Physique et de Chimie de la Société d'Arcueil, 2: 143–158.
    • Malus, E.L. (1809) "Sur une propriété de la lumière réfléchie par les corps Diaphanes" (Auf einer Eigenschaft aus Licht, die durch durchscheinende Substanzen reflektiert wird), Nouveau Bulletin des Wissenschaften [Par la Societé Philomatique de Paris], 1: 266–270.
    • Etienne Louis Malus, Théorie de la Double Réfraction de la lumière dans les Substanzen Cristallisées [Theorie der doppelten Brechung des Lichts in kristallisierten Substanzen] (Paris, Frankreich: Garnery, 1810), Chapitre Troisième. Des Nouvelles Propriétés Physiques Que La Lumière Acquiert Par l'Einfluss des Corps Qui la réfractent ou la réfléchissent. (Kapitel 3. Zu neuen physikalischen Eigenschaften, die Licht durch den Einfluss von Körpern erlangt, die es brechen oder widerspiegeln.),, S. 413–449.
  4. ^ Giles, C. L.; Wild, W. J. (1985). "Brewster -Winkel für magnetische Medien" (PDF). Internationales Journal für Infrarot- und Millimeterwellen. 6 (3): 187–197. Bibcode:1985ijimw ... 6..187g. doi:10.1007/bf01010357. S2CID 122287937.
  5. ^ Paniagua-Domínguez, Ramón; Feng yu, ye; Miroshnichenko, Andrey E.; Krivitsky, Leonid A.; Fu, Yuan Hsing; Valuckas, Vyttas; Gonzaga, Leonard; et al. (2016). "Generalisierter Brewster -Effekt in dielektrischen Metasurfaces". Naturkommunikation. 7: 10362. Arxiv:1506.08267. Bibcode:2016natco ... 710362p. doi:10.1038/ncomms10362. PMC 4735648. PMID 26783075.
  6. ^ Optik, 3. Auflage, Hecht, ISBN0-201-30425-2
  7. ^ Azzam, Rasheed M A (14. September 1994). Goldstein, Dennis H; Chenault, David B (Hrsg.). "Fresnels Grenzflächenreflexionskoeffizienten für die parallelen und senkrechten Polarisationen: globale Eigenschaften und Fakten, die nicht in Ihrem Lehrbuch zu finden sind". Proc. Spie. Polarisationsanalyse und Messung II. 2265: 120. Bibcode:1994spie.2265..120a. doi:10.1117/12.186660. S2CID 135659948.
  8. ^ Barclay, Les, hrsg. (2003). Ausbreitung von Radiowaves. Elektromagnetik und Radar. Vol. 2 (2. Aufl.). Iet. p. 96. ISBN 9780852961025.

Weitere Lektüre

Externe Links