Отражение света - Кизель В.А.
Скачать (прямая ссылка):
В неоднородных средах термин "отражение", строго говоря, применим только для сред, неоднородных лишь в одном измерении (слоистых), где роль дифракции несущественна. В дисперсных средах термин вполне условен - под отраженным излучением здесь следует понимать всю сумму волн, продифрагировавших на отдельных неоднородностях и уходящих от поверхности раздела в первую среду (верхнее полупространство).
В данной работе применяются следующие термины: зеркальное отражение от гладкой поверхности, где радиус кривизны г при переходе вдоль поверхности на расстояние порядка Я меняется на Дг<Я (прилагательное "зеркальный" опускается там, где это не приводит к недоразумениям), и диффузное отражение от шероховатой поверхности (Аг~Я) и дисперсной среды. Термины рассеивающая поверхность и рассеяние на поверхности применяются лишь к молекулярному рассеянию.
В данной работе будет рассматриваться строгое решение для конкретного частного случая электромагнитных волн, причем (если не оговорено иное) для оптического диапазона.
Последнее ограничение, в частности, ведет к обычному в оптике неявному предположению о том, что наличие среды 2 и границы раздела практически не
2 В. А. Кизель
18
ВВЕДЕНИЕ
влияют (во всяком случае, на достаточно большом расстоянии от границы) на падающую волну и на источник излучения. Иными словами, источник предполагается удаленным от поверхности раздела на расстояние, большое по сравнению с длиной волны и с длиной когерентности. Кроме того, в данной задаче, как и во всех других оптических задачах, должна быть учтена общая специфика оптических явлений.
Оптическая область шкалы электромагнитных волн, как известно, отличается тем, что здесь частоты колебаний близки к собственным частотам атомно-молекулярных систем, а длины волн существенно превосходят микроскопически характерные для среды размеры (например, межмолекулярные расстояния, постоянные решетки, длины пробегов электронов), но все же сравнимы с ними. В связи с этим в оптике первостепенную роль играет частотная дисперсия и сравнительно малую - пространственная. Вторая особенность оптической области заключается в категорической необходимости учитывать статистический характер оптического излучения и происходящие отсюда обстоятельства. Наконец, следует отметить, что в оптическом диапазоне нелинейные эффекты наблюдаются лишь при особо высоких мощностях световых потоков и, по большей части, невелики.
Весьма широкий круг вопросов отражения разрешается феноменологической макроскопической теорией. Микроскопическая теория позволяет рассмотреть механизм процессов и за пределами пригодности этого подхода, она раскрывает физический смысл введенных формально параметров, позволяет учесть отличительный для оптики статистический характер излучения отдельных оптических источников и статистику их движения в среде (флуктуации и т. п.). Вместе с тем, микроскопический подход по существу снимает упомянутые выше терминологические трудности.
Существуют различные виды элементарных актов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом; в явлении отражения света (как зеркального, так и диффузного) фактически приходится иметь дело лишь с одним из них - когерентным несмещенным (рэлеев-, ским) рассеянием на атомно-молекулярных системах (двухфотонным процессом, рассматриваемым во втором
ВВЕДЕНИЕ
19
приближении теории возмущений атома приходящим излучением, см. например, [021] ')). Явления спонтанного излучения, обычной нерезонансной и смещенной люминесценции, комбинационного рассеяния и других некогерентных видов излучения, а также вынужденного излучения, в формировании отраженной волны участия не принимают.
Пользуясь языком классических волновых представлений, можно сказать, что в данном процессе частицы вещества совершают под действием первичной падающей волны вынужденные колебания и вследствие этого испускают вторичное (когерентное с первичным2)) излучение. Сложение элементарных вторичных волн микроизлучателей в зависимости от ситуации (гладкость или шероховатость поверхности, наличие динамических, например, флуктуации, или статических неоднородностей) приводит к зеркальному отражению, дифракции, молекулярному рассеянию или диффузному отражению ("рассеяние на шероховатостях и неоднородностях" - термин, применяемый иногда в макроскопическом смысле).
Законы отражения и формулы Френеля (или уточненные формулы, являющиеся их обобщениями) позволяют рассчитать параметры отраженного света по нескольким макроскопическим, феноменологическим параметрам среды 2. Однако для понимания механизма явления и прежде всего энергетического баланса необходимо выяснить физическую сущность процессов в отражающей среде.
При отражении света от прозрачной среды суммарная энергия электромагнитного поля остается неизмен-
') Если падающая волна занимает спектральный участок порядка радиационной ширины, то в непосредственной близости от резонансов среды возникает дополнительная резонансная когерентная флуоресценция; практически подобные ситуации при отражении ветре чаются весьма редко. Некоторые сведения об этом см. в§ 14.
