Fénytörés és visszaverődés vizsgálata

Szerkesztés alatt!

A mérés célja:

• elmélyíteni a hallgatók geometriai optikai ismereteit.

Ennek érdekében:

• áttekintjük a fénytörés és visszaverődés elméletét,
• geometriai optikai méréseket végzünk,
• vizsgáljuk a polarizált fény visszaverődését.

Elméleti összefoglaló

Törésmutató meghatározása a reflexió vizsgálatával

A testeket érő elektromágneses sugárzás részben visszaverődik a felületről, részben elnyelődik, egy része pedig áthalad rajta. Ezen három rész intenzitás-aránya anyagonként más és más, és függ a hullámhossztól is.

Méréstechnikai szempontból legegyszerűbben a visszaverődő és az áthaladó hányad mérhető meg, míg az elnyelt részt az energia-megmaradás törvénye alapján határozhatjuk meg. Minthogy az elektromágneses sugárzás transzverzális, így nem lényegtelen megvizsgálnunk, hogy milyenek a polarizációs viszonyok a visszaverődéskor. Ezért tanulmányozzuk a lineárisan poláros fény visszaverődését is.

Essen két közeg határfelületére lineárisan poláros, $\setbox0\hbox{$I_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ intenzitású fény. Legyen az első közeg levegő, míg a másodiknak a levegőre vonatkozó törésmutatója $\setbox0\hbox{$n$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$. A beeső, a visszaverődő és a megtört sugárzás intenzitásait jelölje $\setbox0\hbox{$I_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, $\setbox0\hbox{$I_R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, és $\setbox0\hbox{$I_T$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$. Az egyszerűség kedvéért itt eltekintünk az elnyelődéstől.

Tudjuk, hogy merőleges beesésnél a visszavert és a megtört sugár egyaránt merőlegesek a felületre és az intenzitásokra az energia-megmaradás értelmében:

$\[ I_0 = I_R + I_T \]$

avagy kifejezve az áthaladó fény intenzitását a közeg törésmutatójával:

$\[ I_0 = I_R + I_0\frac{4n}{(n+1)^2} \]$

.

A visszaverődő fény intenzitását kifejezve az

$\[ I_R = \left( \frac{n-1}{n+1}\right) ^2 I_0 \]$

összefüggés adódik. Jól látható, hogy még merőleges beesésnél is a sugárzás egy jelentős hányada visszaverődik (pl. $\setbox0\hbox{$n = 1,5$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ törésmutatójú üveget véve alapul, a beeső fény intenzitásának 4 %-a verődik vissza). Ha a veszteségektől eltekintünk, az áthaladó intenzitás a leírt összefüggések alapján meghatározható.

Most vizsgáljuk meg azon eseteket, amikor lineárisan poláros fény esik a felületre (a) úgy, hogy a fény rezgési síkja merőleges a beesési síkra, ill. (b) a rezgési sík párhuzamos a beesési síkkal. Emlékeztetőül: a beesési sík a beeső, a visszavert és a megtört sugarak által meghatározott sík. A fenti két esetnek megfelelő viszonyokat az 1. ábrán vázoltuk, ahol körrel jelöltük a síkra merőleges, és sugárra merőleges kétirányú nyíllal a párhuzamos rezgést. A számolások részletezése nélkül (ez bármelyik optikával foglalkozó kézikönyvben megtalálható) megadjuk az ún. Fresnel-formulákat, melyek a fenti eseteknek megfelelő amplitúdó ($\setbox0\hbox{$\Psi$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$) viszonyokat írják le. Az (a) esetre