Hva skjer når en Laser Treff en Pond?

De fleste av de interessante effekter av optikk skje ved grensesnitt --- overganger fra ett materiale til et annet. Objektiver bøye lys inn og forlate buede overflater; fiberoptikk bære signaler ved å stusse lyset grensen mellom en kjerne glass og en omkringliggende kledning; og lyset spretter av speilflater. En dam er et annet grensesnitt --- en grense mellom luft og vann. Fordi grensesnitt er så viktig i optikk, har det vært nok studie for å gjøre dem relativt godt forstått.

Brytningsindeksen

Optisk forplantning i hvert materiale er kjennetegnet ved en størrelse kalt brytningsindeksen. Når lys forplanter seg gjennom et materiale, innenfor atomene er forvrengt av det elektromagnetiske feltet av strålingen. Samspillet mellom lys og atomene i materialet bremser ned lyset. Forholdet mellom hastigheten til lys i vakuum til lysets hastighet i materialet er brytningsindeksen. Selv om brytningsindeksen forandrer seg med bølgelengden, er den gjennomsnittlige verdien for vann er "n = 1,33." Indeksen for luft er meget nær en.

Kurvelys

Lys bøyer seg når den beveger seg fra ett materiale til et annet. Beløpet det svinger avhenger av to ting: brytningsindeksene i de to mediene og hvilken vinkel lyset treffer overflaten. Den vinkel, kalt innfallsvinkelen, målt fra den vinkelrett på overflaten. Så lett går "straight i" ville ha en innfallsvinkel på null grader. Lys som skummer langs overflaten ville ha en vinkel på rundt 89 grader.

Laser lys inn i Pond

Som laserlyset treffer overflaten av dammen, blir en del av den bøyd ned i vannet. Det bøying kalles refraksjon. Refraksjon er styrt av ligningen

"sin (vinkel brytnings) = (n1 / n2) sin (innfallsvinkelen)" --- hvor n1 og n2 er de to brytningsindeksene. Vinkelen for brytning blir igjen målt i forhold til den vinkelrett på overflaten. Ta den inverse sinus (den arcsin) på begge sider, hvis innfallsvinkelen er 10 grader: vinkel brytnings = arcsin ((1 / 1,33) sin (10)) = 7,5 grader.

En Pond som et speil

Lys er ikke bare bøye i dammen, en del av det gjenspeiler rett utenfor. Regelen styrer oppførselen til refleksjon ved overflaten av dammen er akkurat den samme som regel som avgrenser refleksjonen ved et glass eller metall speil: den refleksjonsvinkel er lik innfallsvinkelen. Slik at bjelken i eksemplet i avsnitt 3 er også delvis reflektert ved en vinkel på 10 grader.

prosenter

Noe av det lys som treffer overflaten av dammen brytes og noe reflekteres. Men å si "noen" er ikke en veldig nøyaktig måling. Det er et sett av likninger kalt Fresnel ligninger. De er for detaljert å fullt ut beskrive her, men de gir prosenter av reflektert og overført lys i form av innfallsvinkler og brytning. Forholdene er også avhengige av polarisasjonen av lyset. For eksempel av lys innfallende på 10 grader, refleksjon av en polarisasjon er 1,9% og refleksjon av den andre er 2,1%, slik at ca 88% av hver polarisasjon til å bryte ned i vannet i en vinkel på 7,5 grader.

Brewster Angle

Fordi hver polarisasjon oppfører seg annerledes ved grenseflaten, i noen tilstander en polarisasjon blir delvis reflektert og delvis overføres, mens den andre polarisasjonen er fullstendig overført. For en observatør som ser på det reflekterte lys, vil det være en vinkel ved hvilken bare en polarisasjon vises. Det vil si at lyset er polarisert ved refleksjon. For vann, denne vinkelen, kalt Brewster Angle, er ca 53 grader. Hvis laseren er polarisert, som det roteres om sin akse når det skinner på overflaten av dammen på Brewster vinkel, vil refleksjonen forsvinne når polarisasjonen er orientert på riktig måte.