Допустим, что граница раздела сред плоская и неподвижная. На нее падает плоская монохроматическая волна :

отражённая волна при этом имеет вид:

для преломленной волны имеем:

отраженная и преломленная волны будут тоже плоскими, и иметь ту же частоту: ${\omega }_{pad}=\omega_{otr}=\omega_{pr}=\omega $. Равенство частот следует из линейности и однородности граничных условий.

Разложим электрическое поле каждой волны на две компоненты. Одну, находящуюся в плоскости падения, другая в перпендикулярной плоскости. Эти составляющие называют главными составляющими волн. Тогда можно записать:

где ${{\overrightarrow{e}}_x,\overrightarrow{e}}_y,\ {\overrightarrow{e}}_z$ -- единичные векторы вдоль осей $X$,$Y$,$Z.$ ${\overrightarrow{e}}_1,\ {\overrightarrow{e}}"_1,{\overrightarrow{e}}_2$ -- единичные векторы, которые находятся, в плоскости падения и перпендикулярны соответственно, падающему, отраженному и преломленному лучам (рис.1). То есть можно записать:

Рисунок 1.

Скалярно умножим выражение (2.а) на вектор ${\overrightarrow{e}}_x,$ получаем:

Аналогичным путем получают:

Так, выражения (4) и (5) дают $x-$, $y-$. $z-$ составляющие электрического поля на границе раздела веществ (при $z=0$). Если не учитывать магнитных свойств вещества ($\overrightarrow{H}\equiv \overrightarrow{B}$), то компоненты магнитного поля можно записать как:

Соответствующие выражения для отраженной волны имеют вид:

Для преломленной волны:

Для нахождения $E_{pr\bot }$,$\ E_{pr//},\ E_{otr\bot },\ E_{otr//}$ используют граничные условия:

Подставим в выражения (11) формулы (10), получим:

Из системы уравнений (12),учитывая равенство угла падения и угла отражения (${\alpha }_{pad}=\alpha_{otr}=\alpha $) получим:

Отношения, которые стоят в левых частях выражений (13) называют коэффициентами Френеля. Данные выражения формулами Френеля.

При обычном отражении коэффициенты Френеля вещественные. Это доказывает, что отражение и преломление не сопровождает изменение фазы, исключение -- изменение фазы отраженной волны на $180^\circ$. В том случае, если падающая волна является поляризованной, то отраженная и преломленная волны тоже поляризованы.

Получая формулы Френеля, мы полагали свет монохроматическим, однако, если среда не является диспергирующей и происходит обычное отражение, то данные выражения справедливы и для немонохроматических волн. Надо только под составляющими ($\bot $ и //) понимать соответствующие компоненты напряженностей электрического поля падающей, отраженной и преломленной волн на границе раздела.

Пример 1

Задание: Объясните, почему изображение заходящего солнца при тех же условиях не уступает по яркости самому солнцу.

Решение:

Для объяснения подобного явления используем следующую формулу Френеля:

\[\frac{E_{otr\bot }}{E_{pad\bot }}=-\frac{sin (\alpha -{\alpha }_{pr})}{sin (\alpha +{\alpha }_{pr})};\ \frac{E_{otr//}}{E_{pad//}}=\frac{tg (\alpha -{\alpha }_{pr})}{tg (\alpha +{\alpha }_{pr})}(1.1).\]

В условиях скользящего падения, когда угол падения ($\alpha $) практически равен $90^\circ$ получаем:

\[\frac{E_{otr\bot }}{E_{pad\bot }}=\frac{E_{otr//}}{E_{pad//}}\to -1(1.2).\]

При скользящем падении света коэффициенты Френеля (по модулю) стремятся к единице, то есть отражение получается практически полным. Это объясняет яркие изображения берегов в спокойной воде водоема и яркость заходящего солнца.

Пример 2

Задание: Получите выражение для отражательной способности ($R$), если так называют коэффициент отражения при нормальном падении света на поверхность.

Решение:

Для решения задачи используем формулы Френеля:

\[\frac{E_{otr\bot }}{E_{pad\bot }}=\frac{n_1cos\left(\alpha \right)-n_2cos\left({\alpha }_{pr}\right)}{n_1cos\left(\alpha \right)+n_2cos\left({\alpha }_{pr}\right)},\ \frac{E_{otr//}}{E_{pad//}}=\frac{n_2{cos \left(\alpha \right)\ }-n_1{cos \left({\alpha }_{pr}\right)\ }}{n_2{cos \left(\alpha \right)\ }+n_1{cos \left({\alpha }_{pr}\right)\ }}\left(2.1\right).\]

При нормальном падении света формулы упрощаются и превращаются в выражения:

\[\frac{E_{otr\bot }}{E_{pad\bot }}=-\frac{E_{otr//}}{E_{pad//}}=\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}=\frac{n-1}{n+1}(2.2),\]

где $n=\frac{n_1}{n_2}$

Коэффициентом отражения называют отношение энергии отраженной к энергии падающей. При этом известно, что энергия пропорциональна квадрату амплитуды, следовательно, можно положить, что искомый коэффициент можно найти как:

Ответ: $R={\left(\frac{n-1}{n+1}\right)}^2.$

Формулы Френеля (классическая электродинамика).

Рассмотрим падение плоской гармонической электромагнитной волны на границу раздела двух однородных изотропных непроводящих сред (рис.). Нормаль к поверхности раздела определена вектором , углы между нормалью и направлениями распространения падающей, отражённой и преломлённой волн обозначены символом с подстрочным индексом , или соответственно. Направления распространения описанных плоских волн заданы единичными ортами , и . Вектор в последующих выкладках является радиус-вектором точки наблюдения, а величины и - это фазовые скорости распространения волны в первой (падающая и отражённая волна) и во второй (преломлённая волна) среде. Полагаем, что плоскость поляризации электромагнитной волны является плоскостью колебаний вектора напряжённости электрического поля. Электромагнитную волну с произвольной ориентацией плоскости поляризации представляем в виде суперпозиции двух волн - волны с плоскостью поляризации, параллельной плоскости падения, и волны с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости падения. Таким образом, получаем соотношение:

Если амплитуды колебаний вектора напряжённости электрического поля падающей волны равны соответственно и для той или иной ориентации плоскости поляризации, то имеют мест соотношения:

. (3)

Эти отношения справедливы для выбранных положительных направлений векторов и , показанных на рис. (ось перпендикулярна плоскости рисунка и направлена «на нас», вектор направлен по оси ).

Для вектора напряжённости магнитного поля в падающей волне воспользуемся полученными ранее результатами:

В соотношении (4) вектор - волновой вектор ( , где - длина волны). В соответствии с результатом (4) запишем координатное представление вектора напряжённости магнитного поля падающей волны:

,

.

Пусть - комплексная амплитуда преломлённой волны, при этом направлена «на нас» вдоль оси , а перпендикулярна вектору и направлена в сторону оси . Описанные ориентации амплитуд условно принимаются положительными. Для составляющих электромагнитного поля в преломлённой волне, также как и в падающей волне, получаем зависимости:

, ,

, , (6)

, .

В выражениях (6) мгновенная фаза гармонических колебаний имеет вид:

. (7)

Продолжим описание взаимодействия плоской волны с границей раздела сред. Пусть - комплексная амплитуда отражённой волны, при этом направлена «на нас» вдоль оси , а перпендикулярна вектору и направлена в сторону оси . Описанные ориентации амплитуд условно принимаются положительными. Для составляющих электромагнитного поля в отражённой волне, также как и в падающей волне, получаем зависимости:

, ,

, , (8)

, .

Для отражённой волны мгновенная фаза гармонических колебаний имеет вид:

. (9)

Выписанные выше выражения для мгновенных значений координатных составляющих электромагнитного поля справедливы в любой точке плоскости падения и в любой момент времени.

В соответствии с общими интегральными теоремами электродинамики на границе раздела двух сред ( - координата радиус-вектора точки наблюдения равна нулю) в любой момент времени должны выполняться условия непрерывности касательных компонент вектора напряжённости электрического поля и касательных компонент напряжённости магнитного поля . Последнее условие справедливо, если на поверхности раздела сред отсутствует поверхностная плотность тока проводимости.

Итак, при z=0 требуем выполнения условий:

, , (10)

, . (11)

Обеспечить выполнение условий (10)-(11) в произвольный момент времени можно только, если потребовать выполнения равенства экспоненциальных множителей в выражениях для компонент векторов и на границе раздела. Приравнивая друг другу выражения и при z=0 , убеждаемся, что угол падения равен углу отражения: . Приравнивая друг другу выражения и при z=0 , убеждаемся, что справедлив закон синусов Снеллиуса: синус угла падения относится к синусу угла преломления как фазовая скорость падающей волны к фазовой скорости преломлённой волны (или как показатель преломления второй среды относится к показателю преломления первой среды). Ранее описанный приём был использован безотносительно к природе плоской волны (раздел). Ниже будем пользоваться установленными результатами.

Четыре уравнения (10)-(11) распадаются на две независимые системы:

(12)

(13)

Факт расщепления условий сопряжения электромагнитного поля на границе раздела сред на две независимые системы уравнений служит обоснованием гипотезы Френеля о возможности рассматривать по отдельности явления отражения и преломления световых волн, колебания в которых параллельны или перпендикулярны плоскости падения волны.

Уравнения (12)-(13) записаны с использованием приближения , при этом , . Осталось только решить системы уравнений (12) и (13). После несложных выкладок с использованием известных соотношений между тригонометрическими функциями получаем результаты:

(14)

(15)

Для удобства практических расчётов приведём решения систем уравнений (12)-(13) с использованием понятия показатель преломления:

(16)

(17) Соотношения (14) и (15) позволяют получить соответствующие выражения и для компонент напряжённости магнитного поля, при желании читатель имеет возможность эти выкладки проделать самостоятельно.

Соотношения (14)-(15) полностью решают рассматриваемую проблему. Они получены с использованием условий непрерывности касательных составляющих векторов напряжённости электрического и магнитного полей на границе раздела двух сред (10)-(11). Но из интегральных теорем классической электродинамики следуют определённые условия, которым должны удовлетворять нормальные к границе раздела составляющие тех же векторных полей:

В условии (18) величина - это поверхностная плотность свободных электрических зарядов. Если в уравнение (18) подставить полученные выше решения и воспользоваться приближением исчезающее малого отличия магнитной проницаемости сред от единицы,

то получим с учётом второго из уравнений системы (12), которое выше использовалось для получения решения, что на поверхности раздела сред действительно не может быть отличной от нуля поверхностной плотности свободных электрических зарядов. А если в уравнение (19) подставить полученные выше решения, то с той же степень точности получаем второе из уравнений системы (13). Таким образом, можно считать доказанным, что нормальные компоненты векторов напряжённости электрического и магнитного поля

удовлетворяют условиям на границе раздела двух сред. Мы ещё раз имеем возможность убедиться в том, насколько внутренне строго организована электромагнитная волна.

Экспериментальная проверка формул Френеля основана на измерении отношения интенсивности отражённой волны к интенсивности падающей волны. Если падающий свет является естественным, осреднённые значения квадратов амплитуд колебаний и совпадают, при этом справедливо соотношение:

, (20)

где - интенсивность естественного падающего света, - интенсивность отражённого частично поляризованного света. Соотношение (20) многократно экспериментально проверялось, оно хорошо описывает экспериментальные результаты. Ради полноты обсуждения проблемы заметим, что в оптике известны случаи отклонения от формул Френеля, но связаны они не с основами электродинамики, а с тем, что выше рассматривалась идеализированная модель явления, упрощённо описывающая свойства поверхности раздела и, вообще говоря, динамические свойства материальных сред.

Сравнивая выражения (14) и (15) с «формулами Френеля», убеждаемся в их идентичности. Но в рамках классической электродинамики в отличие от теории Френеля не содержится внутренне противоречивых элементов, правда, – следует и об этом не забывать – к такому триумфу физики шли около 40 лет.

Наклонное падение плоской гармонической электромагнитной волны на границу раздела сред диэлектрик-проводник .

Целью настоящего раздела является описание явления отражения-преломления плоской однородной гармонической волны при её наклонном падении на плоскую границу раздела диэлектрической среды и проводящей среды. Необходимость вернуться к этому вопросу после рассмотрения формул Френеля для случая наклонного падения электромагнитной волны на границу раздела двух диэлектрических сред обусловлена некоторыми новыми специфическими закономерностями явления, которые возникают из-за того, что одна из сред является проводящей.

Переменное электромагнитное поле описывается системой уравнений Максвелла в дифференциальной форме, величины диэлектрической и магнитной проницаемостей и удельной электропроводности гипотетической (т.е. модельной) среды считаем независящими от времени и пространственных координат. В непроводящей среде (диэлектрик) выполняется условие .

Решение системы уравнений Максвелла представляем в форме плоских гармонических бегущих волн:

где - текущее время, - круговая частота волны, - период колебаний физической величины, принимающей участие в волновом процессе. Здесь - вектор напряжённости электрического поля, - вектор напряжённости магнитного поля, - вектор электрического смещения, - вектор магнитной индукции, - объёмная плотность сторонних электрических зарядов. Предполагаем, как и прежде, что круговая частота является вещественной постоянной скалярной величиной, а вектор - радиус-вектором точки наблюдения. Волновой вектор ниже рассматриваем как вектор с комплексными компонентами:

где отличные друг от друга по величине и направлению векторы и имеют вещественные компоненты.

Векторные величины в соотношении (1) будем считать постоянными векторными величинами (амплитудами плоских гармонических волн). Результаты вычисления дивергенции и ротора векторных величин (1) были не один раз описаны в предыдущих разделах. Таким образом, система уравнений переменного гармонического электромагнитного поля, записанная для векторов напряжённости электрического и магнитного полей, формально приобретает «алгебраический» вид.

ФРЕНЕЛЯ ФОРМУЛЫ

ФРЕНЕЛЯ ФОРМУЛЫ

Определяют отношения амплитуды, фазы и поляризации отражённой и преломлённой световых волн, возникающих при прохождении света через границу раздела двух прозрачных диэлектриков, к соответствующим хар-кам падающей . Установлены франц. физиком О. Ж. Френелем в 1823 на основе представлений об упругих поперечных колебаниях эфира. Однако те же самые соотношения - Ф. ф. следуют в результате строгого вывода из эл.-магн. теории света при решении уравнений Максвелла.

Пусть плоская световая волна падает на границу раздела двух сред с показателями преломления n1 и n2 (рис.).

Углы j, j" и j" есть соответственно углы падения, отражения и преломления, причём всегда n1sinj=n2sinj" (закон преломления) и |j|=|j"| (закон отражения). Амплитуду электрич. вектора падающей волны А разложим на составляющую с амплитудой Ap, параллельную плоскости падения, и составляющую с амплитудой As, перпендикулярную плоскости падения. Аналогично разложим амплитуды отражённой волны R на составляющие Rp и Rs, а преломлённой волны D -на Dp и Ds (на рис. показаны только р-составляющие). Ф. ф. для этих амплитуд имеют вид:

Из (1) следует, что при любом значении углов j и j" знаки Ap и Dp, a также знаки As и Ds совпадают. Это означает, что совпадают и фазы, т. е. во всех случаях преломлённая волна сохраняет фазу падающей. Для компонент отражённой волны (Rp и Rs) фазовые соотношения зависят от j, n1 и n2; если j=0, то при n2 >n1 фаза отражённой волны сдвигается на p. В экспериментах обычно измеряют не амплитуду световой волны, а её интенсивность, т. е. переносимый ею поток энергии, пропорц. квадрату амплитуды (см. ПОЙНТИНГА ВЕКТОР). Отношения средних за период потоков энергии в отражённой и преломлённой волнах к ср. потоку энергии в падающей волне наз. коэффициентом отражения r и коэффициентом прохождения d. Из (1) получим Ф. ф., определяющие коэфф. отражения и преломления для s- и р-составляющих падающей волны, учтя, что

При отсутствии поглощения света rs+ds=1 и rp+dp=1 в соответствии с законом сохранения энергии. Если на границу раздела падает , т. е. все направления колебаний электрич. вектора равновероятны, то волны поровну делится между р- и s-колебаниями, полный коэфф. отражения в этом случае: r=1/2(rs+rp). Если j+j"= 90°, то tg(j+j")®?, и rp=0, т. е. в этих условиях , поляризованный так, что его электрич. вектор лежит в плоскости падения, совсем не отражается от поверхности раздела. При падении естеств. света под таким углом отражённый свет будет полностью поляризован. Угол падения, при к-ром это происходит, наз. углом полной поляризации или углом Брюстера (см. БРЮСТЕРА ЗАКОН), для него справедливо соотношение tgjБ= n2/n1.

При норм. падении света на границу раздела двух сред (j=0) Ф. ф. для амплитуд отражённой и преломлённой волн могут быть приведены к виду

Из (4) следует, что на границе раздела тем больше, чем больше абс. величина разности n2-n1; коэфф, r и А не зависят от того, с какой стороны границы раздела приходит падающая световая волна.

Условие применимости Ф. ф.- независимость показателя преломления среды от амплитуды вектора электрич. напряжённости световой волны. Это условие, тривиальное в классич. (линейной) оптике, не выполняется для световых потоков большой мощности, напр. излучаемых лазерами. В таких случаях Ф. ф. не дают удовлетворит. описания наблюдаемых явлений и необходимо использовать методы и понятия нелинейной оптики.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ФРЕНЕЛЯ ФОРМУЛЫ

Определяют отношения амплитуды, фазы и состояния поляризации отражённой и преломлённой световых волн, возникающих при прохождении света через границу раздела двух прозрачных диэлектриков, к соответствующим характеристикам падающей волны. Установлены О. Ж. Френелем в 1823 на основе представлений об упругих поперечных колебаниях эфира. Однако те же самые соотношения - Ф. ф.- следуют в результате строгого вывода из эл.-магн. теории света при решении ур-ний Максвелла.

Пусть плоская световая волна падает на границу раздела двух сред с показателями преломления п 1 . и п 2 (рис.). Углы j, j" и j " есть соответственно углы падения, отражения и преломления, причём всегда n 1 . sinj=n 2 sinj " (закон преломления) и |j|=|j"| (закон отражения). Амплитуду электрического вектора падающей волны А разложим на составляющую с амплитудой А р, параллельную плоскости падения, и составляющую с амплитудой A s , перпендикулярную плоскости падения. Аналогично разложим амплиту ды отражённой волны R на составляющие R p и R s , а преломлённой волны D - на D p и D s (на рис. показаны только р -составляющие). Ф. ф. для этих амплитуд имеют вид

Из (1) следует, что при любом значении углов j и j " знаки А р и D p совпадают. Это означает, что совпадают и фазы, т. е. во всех случаях преломлённая волна сохраняет фазу падающей. Для компонент отражённой волны (R p и R s )фазовые соотношения зависят от j, n 1 и n 2 ; если j=0, то при n 2 >n 1 фаза отражённой волны сдвигается на p.

В экспериментах обычно измеряют не амплитуду световой волны, а её интенсивность, т. е. переносимый ею поток энергии, пропорциональный квадрату амплитуды (см.

Пойнтинга вектор). Отношения средних за период потоков энергии в отражённой и преломлённой волнах к среднему потоку энергии в падающей волне наз. коэф. отражения r и коэф. прохождения d. Из (1) получим Ф. ф., определяющие коэф. отражения и преломления для s- и р -составля-ющих падающей волны, учтя, что

В отсутствие поглощения света между коэффициентами в соответствии с законами сохранения энергии существуют отношения r s +d s =1 и r p +d p =1. Если на границу раздела падает естественный свет, т. е. все направления колебаний электрич. вектора равновероятны, то энергия волны поровну делится между р- и s -колебаниями, полный коэф. отражения в этом случае r =(1/2)(r s +r p ) Если j+j "=90 o , то и r p =0 т. е. в этих условиях свет, поляризованный так, что его электрич. вектор лежит в плоскости падения, совсем не отражается от поверхности раздела. При падении естеств. света под таким углом отражённый свет будет полностью поляризован. Угол падения, при к-ром это происходит, наз. углом полной поляризации или у г л о м Б р ю с т е р а (см. Брюстера закон), для него справедливо соотношение lgj Б =n 2 /n 1 .

При нормальном падении света на границу раздела двух сред (j = 0) Ф. ф. для амплитуд отражённой и преломлённой волн могут быть приведены к виду

Здесь исчезает различие между составляющими s и p , т. к. понятие плоскости падения теряет смысл. В этом случае, в частности, получаем

Из (4) следует, что отражение света на границе раздела тем больше, чем больше абс. величина разности n 2 - n 1 ; коэф. r и d не зависят от того, с какой стороны границы раздела приходит падающая световая волна.

Условие применимости Ф. ф.- независимость показателя преломления среды от амплитуды вектора электрич. напряжённости световой волны. Это условие, тривиальное в классич. (линейной) оптике, не выполняется для световых потоков большой мощности, напр. излучаемых лазерами. В таких случаях Ф. ф. не дают удовлетворит. описания наблюдаемых явлений и необходимо использовать методы и понятия нелинейной оптики.

Лит.: Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Калитеевский Н. И., Волновая , 2 изд., М., 1978. Л. Н. Капорский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ФРЕНЕЛЯ ФОРМУЛЫ" в других словарях:

Определяют амплитуды, фазы и поляризации отраженной и преломленной плоских волн, возникающих при падении плоской монохроматической световой волны на неподвижную плоскую границу раздела двух однородных сред. Установлены О.Ж. Френелем в 1823 … Большой Энциклопедический словарь

Определяют амплитуды, фазы и поляризации отражённой и преломлённой плоских волн, возникающих при падении плоской монохроматической световой волны на неподвижную плоскую границу раздела двух однородных сред. Установлены О. Ж. Френелем в 1823. * *… … Энциклопедический словарь

Определяют отношения амплитуды, фазы и состояния поляризации отражённой и преломленной световых волн, возникающих при прохождении света через неподвижную границу раздела двух прозрачных диэлектриков, к соответствующим характеристикам… … Большая советская энциклопедия

Определяют амплитуды, фазы и поляризации отражённой и преломлённой плоских волн, возникающих при падении плоской монохроматич. световой волны на неподвижную плоскую границу раздела двух однородных сред. Установлены О. Ж. Френелем в 1823 … Естествознание. Энциклопедический словарь Википедия

Огюстен Жан Френель Augustin Jean Fresnel Огюстен … Википедия

Фр. Augustin Jean Fresnel Огюстен Жан Френель Дата рождения: 10 мая 1788 Место рождения: Брогли (Эр) Дата смерти: 14 июля … Википедия

Огюстен Жан Френель фр. Augustin Jean Fresnel Огюстен Жан Френель Дата рождения: 10 мая 1788 Место рождения: Брогли (Эр) Дата смерти: 14 июля … Википедия

1.1. Граничные условия. Формулы Френеля

Классической задачей, для решения которой оказывается важной ориентация вектора Е , является прохождение световой волны через границу раздела двух сред. В силу геометрии задачи возникает разница в отражении и преломлении двух независимых компонент, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения, и, следовательно, исходно неполяризованный свет после отражения или преломления становится частично поляризованным.

Граничные условия для векторов напряженности и индукции, известные из электростатики, уравнивают на границе раздела тангенциальные компоненты векторов Е и H и нормальные компоненты векторов D и B , по сути, выражая отсутствие токов и зарядов вдоль границы и ослабление внешнего электрического поля в e раз при попадании в диэлектрик:

При этом поле в первой среде складывается из полей падающей и отраженной волн, а во второй среде – равно полю преломленной волны (см. рис. 2.1).

Поле в любой из волн может быть записано в виде соотношений типа . Т. к. граничные условия (5.1) должны выполняться в любой точке границы раздела и в любой момент времени, из них можно получить законы отражения и преломления:

1. Частоты всех трех волн одинаковы: w 0 = w 1 = w 2 .

2. Волновые вектора всех волн лежат в одной плоскости:.

3. Угол падения равен углу отражения: a = a".

4. Закон Снеллиуса: . Можно показать, что произведение n ×sin a остается постоянным при любом законе изменения показателя преломления вдоль оси Z, не только ступенчатом на границах раздела, но и непрерывном.

На эти законы поляризация волн не влияет.

C другой стороны непрерывность соответствующих компонент векторов Е и H приводит к так называемым формулам Френеля, позволяющим рассчитать относительные амплитуды и интенсивности отраженной и прошедшей волн для обеих поляризаций. Выражения оказываются существенно различными для параллельной (вектор E лежит в плоскости падения) и перпендикулярной поляризации, естественно, совпадая для случая нормального падения (a = b = 0).

Геометрия полей для параллельной поляризации показана на рис. 5.2а, для перпендикулярной – на рис. 5.2б. Как было отмечено в разделе 4.1, в электромагнитной волне вектора E , H и k образуют правую ортогональную тройку. Поэтому если тангенциальные компоненты векторов E 0 и E 1 падающей и отраженной волн направлены одинаково, то соответствующие проекции магнитных векторов имеют разные знаки. С учетом этого, граничные условия приобретают вид:

(5.2)

для параллельной поляризации и

(5.3)

для перпендикулярной поляризации. Кроме того, в каждой из волн напряженности электрического и магнитного полей связаны соотношениями . С учетом этого, из граничных условий (5.2) и (5.3) можно получить выражения для амплитудных коэффициентов отражения и пропускания :

(5.4)

Помимо амплитудных, представляют интерес энергетические коэффициенты отражения R и пропускания T , равные отношению потоков энергии соответствующих волн. Т. к. интенсивность световой волны пропорциональна квадрату напряженности электрического поля, для любой поляризации выполняется равенство .Кроме того, справедливо соотношение R + T = 1, выражающее закон сохранения энергии при отсутствии поглощения на границе раздела. Таким образом,

(5.5)

Совокупность формул (5.4), (5.5) и называется формулами Френеля . Особый интерес представляет предельный случай нормального падения света на границу раздела (a = b = 0). При этом исчезает различие между параллельной и перпендикулярной поляризациями и

(5.6)

Из (5.6) находим, что при нормальном падении света из воздуха (n 1 = 1) на стекло (n 2 = 1.5) отражается 4% энергии светового пучка, а проходит 96%.

1.2. Анализ формул Френеля

Рассмотрим сначала энергетические характеристики. Из (5.5) видно, что при a + b = p/2 коэффициент отражения параллельной компоненты обращается в нуль: R || = 0. Угол падения, при котором возникает этот эффект, называется углом Брюстера . Из закона Снеллиуса легко найти, что

, (5.7)

где n 12 – относительный показатель преломления. В то же время для перпендикулярной компоненты R ^ ¹ 0. Поэтому при падении неполяризованного света под углом Брюстера отраженная волна оказывается линейно поляризованной в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а прошедшая – частично поляризованной с преобладанием параллельной компоненты (рис. 5.3а) и степенью поляризации

.

Для перехода воздух-стекло угол Брюстера близок к 56 о.

На практике получение линейно поляризованного света за счет отражения под углом Брюстера используется редко из-за низкого коэффициента отражения. Однако возможно построение поляризатора, работающего на пропускание, с использованием стопы Столетова (рис. 5.3б). Стопа Столетова состоит из нескольких плоскопараллельных стеклянных пластинок. При прохождении через нее света под углом Брюстера, перпендикулярная компонента практически полностью рассеивается на границах раздела, а прошедший луч оказывается поляризован в плоскости падения. Такие поляризаторы используются в мощных лазерных системах, когда поляризаторы других типов могут быть разрушены лазерным излучением. Другим применением эффекта Брюстера является снижение потерь на отражение в лазерах за счет установки оптических элементов под углом Брюстера к оптической оси резонатора.

Вторым важнейшим следствием формул Френеля является существование полного внутреннего отражения (ПВО) от оптически менее плотной среды при углах падения больших, чем предельный угол, определяемый из соотношения

Подробно эффект полного внутреннего отражения будет рассмотрен в следующем разделе, сейчас отметим только, что из формул (5.7) и (5.8) следует, что угол Брюстера всегда меньше предельного угла.

На графиках рис. 5.4а приведены зависимости коэффициентов отражения при падении света из воздуха на границы со средами с n 2 " = 1.5 (сплошные линии) и n 2 "" = 2.5 (штриховые линии). На рис. 5.4б направление прохождения границы раздела обратное.

Обратимся теперь к анализу амплитудных коэффициентов (5.4). Нетрудно видеть, что при любых соотношениях между показателями преломления и при любых углах коэффициенты пропускания t положительны. Это означает, что преломленная волна всегда софазна падающей.

Коэффициенты отражения r , напротив, могут быть отрицательны. Поскольку всякую отрицательную величину можно записать как , отрицательность соответствующего коэффициента можно интерпретировать как сдвиг фазы на p при отражении. Об этом эффекте часто говорят также как о потере полволны при отражении.

Из (5.4) следует, что при отражении от оптически более плотной среды (n 1 < n 2 , a > b) r ^ < 0 при всех углах падения, а r || < 0 при углах падения меньших угла Брюстера. При отражении от оптически менее плотной среды (n 1 > n 2 , a < b) отражение софазное за исключением случая падения света с параллельной поляризацией под углом большим угла Брюстера (но меньшим предельного угла). Очевидно, что при нормальном падении на оптически более плотную среду фаза отраженной волны всегда сдвинута на p.

Таким образом, естественно поляризованный свет при прохождении границы раздела двух сред превращается в частично поляризованный, а при отражении под углом Брюстера даже в линейно поляризованный. Линейно поляризованный свет при отражении и преломлении остается линейно поляризованным, но ориентация плоскости поляризации может измениться из-за различия коэффициентов отражения двух компонент.