Brewster açısı - Brewster's angle

Brewster açısından bir arayüze gelen ışığın polarizasyonunun bir gösterimi.

Brewster açısı (aynı zamanda polarizasyon açısı olarak da bilinir ), belirli bir polarizasyona sahip ışığın , yansıma olmaksızın şeffaf bir dielektrik yüzeyden mükemmel bir şekilde iletildiği bir geliş açısıdır . Bu açıda polarize olmayan ışık geldiğinde , yüzeyden yansıyan ışık mükemmel şekilde polarize olur. Bu özel geliş açısı, İskoç fizikçi Sir David Brewster'ın (1781-1868) adını almıştır .

Açıklama

Işık , farklı kırılma indislerine sahip iki ortam arasında bir sınırla karşılaştığında , bir kısmı genellikle yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi yansıtılır. Yansıyan kesir, Fresnel denklemleriyle tanımlanır ve gelen ışığın polarizasyonuna ve gelme açısına bağlıdır.

Fresnel denklemleri ile ışığın tahmin s polarizasyon ( elektrik alan aynı polarize düzlem olarak olay ray ve normal bir yüzey geliş açısı ise yansıtılmaz temas ettiği yerdeki)

${\displaystyle \theta _{\mathrm {B} }=\arctan \!\left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\sağ)\!,}$

burada n, ₁ olduğu kırılma indisi ışık yayılır ( "olay ortam") ve içinden ilk ortamın , n ₂ başka bir ortama indisidir. Bu denklem Brewster yasası olarak bilinir ve onunla tanımlanan açı Brewster'ın açısıdır.

Bunun fiziksel mekanizması , ortamdaki elektrik dipollerinin p- polarize ışığa tepki verme biçiminden niteliksel olarak anlaşılabilir . Yüzeye gelen ışığın emildiğini ve daha sonra iki ortam arasındaki arayüzde salınan elektrik dipolleri tarafından yeniden yayıldığını hayal edebilirsiniz. Serbestçe yayılan ışığın polarizasyonu her zaman ışığın hareket ettiği yöne diktir. İletilen (kırılan) ışığı üreten dipoller, o ışığın polarizasyon yönünde salınır. Bu aynı salınımlı dipoller aynı zamanda yansıyan ışığı da üretir. Ancak dipoller, dipol momenti yönünde herhangi bir enerji yaymazlar . Kırılan ışık p- polarizeyse ve ışığın yansıtıcı olarak yansıtılacağı tahmin edilen yöne tam olarak dik olarak yayılırsa , dipoller aynasal yansıma yönü boyunca işaret eder ve bu nedenle hiçbir ışık yansıtılamaz. (Yukarıdaki şemaya bakın)

Basit geometri ile bu durum şu şekilde ifade edilebilir:

${\displaystyle \theta _{1}+\theta _{2}=90^{\circ },}$

burada θ ₁ yansıma (veya geliş) açısıdır ve θ ₂ kırılma açısıdır.

Snell yasasını kullanarak ,

${\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2},}$

hiçbir ışığın yansımadığı geliş açısı θ ₁ = θ _B hesaplanabilir :

${\displaystyle n_{1}\sin \theta _{\mathrm {B} }=n_{2}\sin(90^{\circ }-\theta _{\mathrm {B} })=n_{2} \cos \theta _{\mathrm {B} }.}$

θ _B için çözme verir

${\displaystyle \theta _{\mathrm {B} }=\arctan \!\left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\sağ)\!.}$

Havada ( n ₁ ≈ 1 ) bir cam ortam ( n ₂ ≈ 1.5 ) için Brewster'ın görünür ışık açısı yaklaşık 56° iken hava-su arayüzü ( n ₂ ≈ 1.33 ) için yaklaşık 53°'dir. Belirli bir ortamın kırılma indisi ışığın dalga boyuna bağlı olarak değiştiğinden, Brewster'ın açısı da dalga boyuna göre değişecektir.

Işığın belirli bir açıda bir yüzeyden yansıma yoluyla polarize olması olgusu ilk olarak 1808'de Étienne-Louis Malus tarafından gözlemlendi . Polarizasyon açısını malzemenin kırılma indisi ile ilişkilendirmeye çalıştı, ancak tutarsız cam kalitesi yüzünden hüsrana uğradı. o zaman mevcut. 1815'te Brewster daha kaliteli malzemelerle deneyler yaptı ve bu açının Brewster yasasını tanımlayan kırılma indisinin bir fonksiyonu olduğunu gösterdi.

Brewster'ın açısına genellikle "polarizasyon açısı" denir, çünkü bu açıda bir yüzeyden yansıyan ışık , geliş düzlemine tamamen dik (" s- polarize") polarize olur. Bir ışık huzmesi içinde Brewster açısına yerleştirilmiş bir cam levha veya bir levha yığını, bu nedenle, bir polarizör olarak kullanılabilir . Polarizasyon açısı kavramı, iki lineer bianizotropik malzeme arasındaki düzlemsel arayüzleri kapsayacak şekilde bir Brewster dalga sayısı kavramına genişletilebilir . Brewster açısında yansıma durumunda, yansıyan ve kırılan ışınlar karşılıklı olarak diktir.

Manyetik malzemeler için, Brewster açısı, dielektrik geçirgenliğin ve manyetik geçirgenliğin nispi güçleri tarafından belirlendiği üzere, gelen dalga polarizasyonlarından sadece biri için mevcut olabilir. Bunun, dielektrik metayüzeyler için genelleştirilmiş Brewster açılarının varlığı üzerinde etkileri vardır.

Uygulamalar

Brewster açıda açılarının büyük bir aralığı içinde, yansıma s -polarized ışık daha düşüktür s ışık -polarized. Bu nedenle, eğer güneş gökyüzünde alçaktaysa , yansıyan ışık güçlü bir şekilde s- polarize olur. Polarize güneş gözlükleri , yatay olarak polarize ışığı engellemek için Polaroid levhalar gibi polarize edici bir malzeme kullanır , tercihen yaygın bir parlama şekli olan yatay yüzeylerden yansımaları engeller. Etki, su gibi pürüzsüz yüzeylerde daha güçlüdür, ancak yollardan ve zeminden yansımalar da azalır.

Fotoğrafçılar, yüzeyin altındaki nesneleri fotoğraflayabilmek için sudaki yansımaları ortadan kaldırmak için aynı prensibi kullanırlar. Bu durumda, polarize filtre kamera eklentisi doğru açıda olacak şekilde döndürülebilir (şekle bakın).

İki farklı açıya döndürülmüş bir kamera polarize filtresine sahip bir pencereden çekilmiş fotoğraflar. Soldaki resimde polarizör, pencere yansımasının polarizasyon açısı ile hizalanmıştır. Sağdaki resimde, polarizör 90° döndürülerek aşırı polarize yansıyan güneş ışığı ortadan kaldırılmıştır.

Bir hologram kaydederken , ışık tipik olarak Brewster'ın açısına gelir. Gelen ışık p-polarize olduğundan, holografik filmin şeffaf arka düzleminden geri yansımaz. Bu, hologramda istenmeyen parazit etkilerini önler .

Brewster açılı prizmalar lazer fiziğinde kullanılır. Polarize lazer ışığı, prizmaya Brewster açısından herhangi bir yansıma kaybı olmadan girer.

Yüzey biliminde, Brewster açılı mikroskoplar , hava-sıvı arayüzlerinde parçacıkların veya moleküllerin katmanlarının görüntülenmesinde kullanılır. Brewster'ın arayüze açısına yönelik bir lazer kullanarak, saf sıvı görüntüde siyah görünürken, molekül katmanları algılanabilen ve bir kamera ile sunulabilen bir yansıma verir.

Brewster pencereleri

Bir Brewster penceresi

Gaz lazerleri , ışının lazer tüpünden çıkmasına izin vermek için tipik olarak Brewster açısında eğimli bir pencere kullanır. Pencere bir miktar s- polarize ışığı yansıttığı halde p- polarize ışığı yansıtmadığı için, s polarizasyonu için gidiş dönüş kaybı , p polarizasyonundan daha yüksektir . Bu , iki mod arasındaki rekabet nedeniyle lazer çıkışının p polarize olmasına neden olur .

Sözde Brewster açısı

Yansıtıcı yüzey soğurduğunda, paralel polarizasyonda ( p ) yansıtma, sözde Brewster açısında sıfır olmayan bir minimumdan geçer .

Ayrıca bakınız

• Brewster açı mikroskobu
• Toplam iç yansıma

Referanslar

daha fazla okuma

• Lakhtakia, A. (1992). "Brewster koşulları için genel şema" (PDF) . optik . 90 (4): 184–186.

Dış bağlantılar

• Wolfram Research'ten Brewster'ın Açısı Çıkarımı
• RP-photonics.com'da Brewster penceresi
• TE, TM Yansıma Katsayıları – Brewster açısını gösteren etkileşimli faz ve büyüklük grafikleri