Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
91
оенных расчетов (см. пунктирную кривую на рис. 2.14, в). Были высказаны различные суждения о природе подобных аномалий: Друде предположил наличие тонкого промежуточного слоя со значением е, лежащим между ej и е2 . Толщина этого слоя должна зависеть от состояния соприкасающихся поверхностей, их полировки и других факторов. Вуд исследовал возможность влияния дополнительных натяжений в стекле при его полировке, но к окончательному выводу о соответствии теории Друде экспериментальным данным прийти не удалось.
В заключение кратко охарактеризуем фазовые соотношения между отраженной и падающей волнами для случая щ > л2 (ср < ф2). Для волны, в которой вектор Е колеблется в плоскости падения (Ец /= О, Ех = 0), анализируя соотношение (2.9), находим, что (Ех)ц и Ец синфазны при <р < фбр и противоположны по фазе при ф > фбр . Для волны, в которой Ej и Е перпендикулярны плоскости падения (Ej_ ^ 0, Е» = 0), во всех случаях (ф < фбр и Ф > фБр) векторы (Ei)x и Ех совпадают по фазе.
Следовательно, при углах падения, меньших угла Брюстера (ф < фбр), при отражении от оптически менее плотной среды («1 > п%) отраженная и падающая волны совпадают по фазе, т.е. нет потери полуволны при отражении. Рассмотрение больших углов (заметим, что для случая ra2/rai < 1> т.е., например, при переходе волн из стекла в воздух, фбр < 45°) затруднено тем, что существует такой угол ф = фпред. при котором ф2 = я/2, т.е. весь световой поток отражается и преломленная волна отсутствует. Ранее считалось, что формулы Френеля теряют смысл при Ф > фпред» но впоследствии было выяснено, что использование комплексных величин для амплитуд и углов позволяет получить достаточно полное описание и этого частного случая отражения и преломления электромагнитных волн (явления полного внутреннего отражения), представляющего самостоятельный интерес.
§ 2.4. ЯВЛЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
При отражении электромагнитной волны от оптически менее плотной среды (и2/иl < 1) ПРИ углах падения ф > фПред энергия целиком возвращается в первую среду, поэтому это явление называют полным внутренним отражением.
Элементарные опыты иллюстрируют этот эффект. На рис. 2.15 изображены стеклянные призмы, в которых наблюдается внутреннее отражение. Для системы стекло—воздух иг/л1 ~ ~ 1/1,5 и фпред ~ 42°. Следовательно, падение световых лучей на грань призмы под углом 45° соответствует случаю ф > фпред-Аналогичные опыты можно проделать и в УКВ-диапазоне с применением призмы из парафина. Очень эффектна также де-
92
монстрация своеобразного «световода». Стеклянный стержень многократно изогнут, но так, что всегда ср > срПред- Поэтому световой поток после многократных отражений выходит через торец стержня, практически не потеряв своей энергии (рис. 2.16).
2.15. Оборачивающая (а), пово- 2.16. Схематическое изоб-
ротно-оборачивающая (б) и пово- ражение «световода»
ротная (в) призмы, в которых используется явление внутреннего отражения
Такой «световод» напоминает (см. § 1.2) волновод, широко используемый в технике СВЧ. Этот способ «транспортировки» светового потока применяется в «волоконной» оптике для передачи информации модулированным световым сигналом. Однако при этом возникли существенные трудности и лишь в последние годы были решены проблемы, основанные на использовании весьма чистых и однородных волокон. Дело в том, что наличие в стеклянном волокне мельчайших пузырьков воздуха, трещин, пылинок и т.д. приводит к рассеянию световых волн и резкому возрастанию потерь энергии, нацело исключающих возможность применения системы таких волокон для целей оптической дальней связи. В результате интенсивной исследовательской работы в 70-е годы была разработана технология получения оптических волокон очень высокого качества. Потери энергии в таких световодах оказываются того же порядка, что и затухание электрического импульса, распространяющегося в металлическом проводнике. Можно ожидать, что несомненная выгода передачи информации на оптических частотах будет реализована не только в условиях космоса, где не играют роли помехи, неизбежно возникающие при распространении свободной световой волны в приземной атмосфере.
Внутреннее отражение электромагнитных волн объясняет рефракцию радиоволн в ионосфере. Известно, что на высоте от 100 до 300 км существует ионизированный слой, от которого отражаются радиоволны с длиной волны X > 10 м. Более короткие волны проходят через него, что используется в радиоастрономии. Оказывается, что в ионосфере реализуется случай и > с, т.е.
93
фазовая скорость больше скорости электромагнитных волн в вакууме. Физика этих процессов рассмотрена в гл. 4, а сейчас важно лишь указать, что с увеличением высоты происходит уменьшение показателя преломления п, который к тому Же зависит от частоты. При некотором значении X наступает полное внутреннее отражение электромагнитных волн (А. > 10 м), что обеспечивает возможность дальней радиопередачи в этом диапазоне и является естественным рубежом между короткими и ультракороткими (УКВ) радиоволнами.
Изучим подробнее явление полного внутреннего отражения, причем при записи основных соотношений будем, как и прежде, пользоваться комплексными значениями для амплитуд отраженной и преломленной волн с переходом к вещественным значениям в окончательных формулах.
