Światło

Całkowite wewnętrzne odbicie

Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu.

Kąt graniczny - P - promień padający pod kątem α_gr, Z - promień załamany pod kątem β=90°, N - normalna padania.

Światło padające na granicę ośrodków $O_1\,$ i $O_2\,$ pod kątem mniejszym od granicznego zostaje częściowo odbite a częściowo przechodzi do drugiego ośrodka (jest załamane). Jeżeli $n_1\,$ to współczynnik załamania ośrodka $O_1\,$ , a $n_2\,$ współczynnik załamania ośrodka $O_2\,$ i $\text{[math]}$ n_2\," src="http://upload.wikimedia.org/math/3/d/8/3d8878ab11040845027cd076cf95102a.png"> wtedy kąt padania $\alpha\,$ jest mniejszy niż kąt załamania $\beta\,$ . Przy pewnym kącie padania $\alpha_{gr}\,$ , zwanym granicznym, kąt załamania $\beta\,$ jest równy 90º. Dla kątów padania większych niż $\alpha_{gr}\,$ (zakreskowany zakres kątów na ilustracji) światło przestaje przechodzić przez granicę ośrodków i ulega całkowitemu odbiciu wewnętrznemu.

Na mocy prawa załamania:

${\sin\alpha \over \sin\beta}={n_2 \over n_1}$ dla $\beta =90^\circ$ ,

dlatego wartość kąta granicznego, $\alpha_{gr}\,$ :

$\alpha_{gr}=\arcsin \left( {n_2 \over n_1} \right)$ .

Zjawisko to jest wykorzystywane w pryzmatach oraz światłowodach. Jest także przyczyną powstawania refleksów w oszlifowanym diamencie.

Całkowite wewnętrzne odbicie w bloku pleksi.

Zwierciadło kuliste

wklęsłe

O - środek krzywizny, czyli środek kuli, z której zwierciadło zostało wycięte
r - promień krzywizny, czyli promień kuli, z której zwierciadło zostało wycięte
F - ognisko zwierciadła, czyli punkt przecięcia promieni odbitych
f - ogniskowa zwierciadła, czyli odległość ogniska od zwierciadła

Trójkąt OAF jest równoramienny, więc OF=FA.

Ze względu na niewielkie rozmiary zwierciadła w porównaniu do promienia, można przyjąć, że FA=FB
czyli: OF=FB f=r/2

wypukłe

Zwierciadło wypukłe ma ognisko pozorne.

Zwierciadło płaskie

x - odległość przedmiotu od zwierciadła
y - odległość obrazu od zwierciadła

W zwierciadle płaskim powstaje obraz pozorny, to znaczy, że powstał w wyniku przecięcia się przedłużeń promieni odbitych.

Odbicie

Odbicie to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że powraca ona do medium, z którego pochodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła.

Odbicie światła
Światło przy odbiciu zachowuje się tak samo jak fale mechaniczne.

Prawo odbicia
Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Promień fali padającej, promień fali odbitej i prosta prostopadła (normalna) płaszczyzny odbijającej leżą w jednej płaszczyźnie.

Zwierciadło Urządzenie zbudowane w celu odbijania fal to zwierciadło.
Aby zaszło odbicie ośrodki muszą mieć różne współczynniki załamania. W szczególnym przypadku możliwe jest całkowite wewnętrzne odbicie fali od powierzchni oddzielającej różne materiały.

Zwierciadło jest to wypolerowana powierzchnia metalu, szkła (lustra) lub wody.
Zwierciadła dzielimy na:

płaskie, np. lustro
kuliste (wklęsłe i wypukłe)

Parametryczny opis polaryzacji

Jak przedstawiono wyżej w opisie i na rysunkach każdą falę spolaryzowaną, zarówno liniowo, kołowo jak i eliptycznie można przedstawić jako złożenie dwóch fal o jednakowej częstotliwości drgających w kierunkach wzajemnie prostopadłych i prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Każdą spolaryzowaną falę można przedstawić także jako sumę fal spolaryzowanych kołowo. Fala spolaryzowana liniowo jest sumą fali spolaryzowanej lewo- i prawoskrętnie.

Polaryzacja eliptyczna jest ogólnym stanem polaryzacji, dlatego by opisać polaryzację można posłużyć się elipsą w przypadku fali elektromagnetycznej elipsa ta odpowiada torowi końca wektora pola elektrycznego. Podobnie jak elipsę można opisać różnymi równaniami, tak i polaryzację można opisać w różny sposób. Oprócz wyżej podanego parametrycznego równania zależnego od współrzędnych (X i Y), często parametrami opisującymi polaryzację są: kąt pomiędzy osią X i główną półosią elipsy (χ) oraz współczynnik eliptyczności, czyli stosunek głównej i mniejszej półosi elipsy (ε). Czasami używa się też współczynnika kąta eliptyczności (ψ) obliczanego jako arctg(ε) (szczegóły w artykule elipsa). Na schemacie obok oznaczono poszczególne parametry.

Rys.1 Schemat elipsy opisującej polaryzację

Polaryzacja fali

Polaryzacja – własność fali poprzecznej (np. światła). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie wielu fal drgających w różnych kierunkach.

W naturze większość źródeł promieniowania elektromagnetycznego wytwarza fale niespolaryzowane. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w ośrodkach, w których drgania ośrodka mogą odbywać się w dowolnych kierunkach prostopadłych do rozchodzenia się fali. Ośrodkami takimi są trójwymiarowa przestrzeń lub struna.

Gdy ośrodek fali nie może drgać w dowolnych kierunkach prostopadłych względem rozchodzenia się fali, zjawisko polaryzacji jest niemożliwe. Dotyczy to np. drgań na powierzchni membrany i na granicach faz. Przykładem tego są m.in. fale morskie. Fale dźwiękowe również nie podlegają zjawisku polaryzacji, gdyż są falami podłużnymi.

Rodzaje polaryzacji:

Umieszczone tutaj ilustracje przedstawiają zmiany położenia punktu dla fali mechanicznej lub wektora pola elektrycznego dla fali elektromagnetycznej (niebieski) w czasie oraz jego składowych rzutowanych na dwie prostopadłe osie (czerwony/lewy oraz zielony/prawy) ustawione pod kątem prostym do płaszczyzny czoła fali. Na dole każdego wykresu kolorem fioletowym oznaczono ruch elementu drgającego.

Schemat polaryzacji liniowej

Schemat polaryzacji kołowej

Schemat polaryzacji eliptycznej

Przypadek po lewej, to polaryzacja liniowa, drganie odbywa się wzdłuż linii prostej. Każde drganie można przedstawić jako sumę drgań wzdłuż osi X i Y. W przypadku polaryzacji liniowej drgania składowe są w fazie lub w przeciwfazie (180°). Stosunek amplitud drgań składowych określa kierunek drgania a tym samym i polaryzację. Brak jednej ze składowych odpowiada polaryzacji wzdłuż osi. W polaryzacji liniowej przemieszczenie (natężenie pola elektrycznego) punktu w każdym cyklu przechodzi dwa razy przez zero.

Przypadek środkowy ilustruje polaryzację kołową. Drganie to odpowiada ruchowi po okręgu. Można je rozłożyć na dwa drgania o jednakowych amplitudach ale o fazach przesuniętych dokładnie o 90° lub 270° (-90°). W zależności do tego, czy fazy są przesunięte o 90° czy 270°, mówi się o polaryzacji kołowej prawoskrętnej lub polaryzacji kołowej lewoskrętnej. Wynika to z faktu, że wektor wychylenia może obracać się albo w lewo albo w prawo. W polaryzacji kołowej przemieszczenie (natężenie pola elektrycznego) ma zawsze taką samą wartość, zmienia się tylko kierunek przemieszczenia.

Trzeci rysunek przedstawia polaryzację eliptyczną, która jest uogólnieniem polaryzacji kołowej. Ruch ciała wytwarzającego drganie odbywa się po elipsie. Drganie to rozkłada się, podobnie jak w polaryzacji kołowej, na drgania o fazie przesuniętej o 90° lub 270° ale drgania składowe mają różne amplitudy. Polaryzacja eliptyczna może być wyrażona jako złożenie polaryzacji liniowej i kołowej.

Falowa natura światła

Falowa natura światła przejawia się w takich zjawiskach jak:
- dyfrakcja (ugięcie kierunku rozchodzenia się światła) na krawędziach i otworach;
- interferencja (nakładanie się różnych fal o tej samej długości);
- polaryzacja – wyróżnianie kierunku drgań wektora natężenia pola elektrycznego;
- załamanie światła na granicy dwóch ośrodków przezroczystych;
- odbicie światła na granicy dwóch ośrodków optycznych.