Was passiert, wenn ein Laser einen Teich trifft?

April 10

Was passiert, wenn ein Laser einen Teich trifft?

Die meisten der interessanten Effekte der Optik geschehen an Grenzflächen---Übergänge von einem Material zum anderen. Linsen beugen leichte ein- und ausgehenden gekrümmte Flächen; Fiberoptik führen Signale von bouncing Licht aus die Grenze zwischen einem Kern-Glas und eine umgebende Mantel; und Licht prallt an Spiegelflächen. Ein Teich ist ein anderes Interface---eine Grenze zwischen Luft und Wasser. Da Schnittstellen in der Optik so wichtig sind, gab es genügend Studie zu machen, ziemlich gut verstanden.

Der Brechungsindex

Der Brechungsindex regelt das Verhalten der Linsen und Prismen und Übertragung an Oberflächen.

Optische Übertragung in jedes Material zeichnet sich durch eine Menge der Brechungsindex genannt. Wie Licht durch ein Material ausbreitet, sind die Atome in das elektromagnetische Feld der Strahlung verfälscht werden. Die Interaktion zwischen Licht und die Atome im Material verlangsamt das Licht. Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im Material ist der Brechungsindex. Obwohl der Brechungsindex mit Wellenlänge ändert, ist der Durchschnittswert für Wasser "n = 1.33." Der Index für Luft ist sehr nah an 1.

Biegen Licht

Licht verbiegt, wenn es aus einem Material zum anderen reist. Der es verbiegt Betrag hängt von zwei Dingen: die Indizes der Lichtbrechung in den beiden Medien und der Winkel, an dem das Licht die Oberfläche trifft. Der Winkel bezeichnet der Einfallswinkel wird von der senkrechten zur Oberfläche gemessen. "Gerade in" so leicht gehen müssten einen Einfallswinkel von Null Grad. Licht, das entlang der Fläche überfliegt hätte einen Winkel von rund 89 Grad.

Laser-Licht in den Teich

Wie Laserlicht auf die Oberfläche des Teiches trifft, wird ein Teil davon ins Wasser gebogen. Diese Biegung nennt man Brechung. Brechung wird geregelt durch die Gleichung

"sin (Winkel der Brechung) = (n1/n2) sin (Einfallswinkel)"---wo n1 und n2 die zwei Indizes der Lichtbrechung sind. Die Winkel der Brechung wird wieder in Bezug auf die senkrecht zur Fläche gemessen. Den umgekehrten Sinus (Arcsin) beider Seiten zu nehmen, wenn der Einfallswinkel 10 Grad ist: Winkel der Brechung = Arcsin ((1/1.33) sin (10)) = 7,5 Grad.

Ein Teich wie ein Spiegel

Laser-Licht spiegelt sich von der Oberfläche eines Teiches in der gleichen Weise wie Licht aus dieser Szene.

Licht nicht nur in den Teich zu biegen, spiegelt ein Teil davon rechts ab. Die Regel über das Verhalten der Reflexion an der Oberfläche des Teiches ist genauso wie in der Regel über die Reflexion an einem Spiegel Glas oder Metall: der Winkel der Reflexion ist gleich dem Einfallswinkel. Der Strahl im Beispiel von Abschnitt 3 spiegelt also auch teilweise in einem Winkel von 10 Grad.

Verhältnisse

Einige der das Licht fällt die Oberfläche des Teiches ist gebrochen und einige spiegelt. Aber sagen "einige" ist keine sehr genaue Messung. Es gibt eine Reihe von Gleichungen die Fresnel-Gleichungen genannt. Sie sind zu detailliert hier beschreiben, aber sie geben die Verhältnisse der reflektierten und übertragene Licht in Bezug auf den Winkel der Inzidenz und Brechung. Die Verhältnisse hängen auch die Polarisation des Lichtes. Für das Beispiel des Lichts Vorfall bei 10 Grad, die Reflexion einer Polarisierung ist 1,9 % und Reflexion des anderen ist 2,1 %, verlassen ca. 88 % jede Polarisierung zu Brechkraft ins Wasser in einem Winkel von 7,5 Grad.

Die Brewster-Winkel

Da jede Polarisierung an der Schnittstelle anders verhält, in einigen Bedingungen werden eine Polarisation teilweise reflektiert und zum Teil übertragen, während die anderen Polarisation vollständig übertragen wird. Für einen Beobachter, der Blick auf das reflektierte Licht gibt es ein Winkel, an dem nur eine Polarisierung wird angezeigt. Das heißt, ist das Licht durch Reflexion polarisiert. Für Wasser ist dieser Winkel, genannt Brewsters-Winkel etwa 53 Grad. Wenn der Laser polarisiert ist, wie es um ihre eigene Achse gedreht wird, wenn es an der Oberfläche des Teiches im Brewster-Winkel glänzt, verschwinden die Reflexion, wenn die Polarisation richtig ausgerichtet ist.


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