8. Лекционные демонстрации по оптике

8.1. Полное отражение

Цикл лекционных демонстраций

Явление полного отражения¹ (ПО) на границе раздела двух диэлектриков лежит в основе каналирования электромагнитных волн оптического диапазона. Учитывая все возрастающее значение оптических методов в науке и технике, детальному изучению ПО и ознакомлению с областями его практического использования следует уделить особое внимание в курсе общей физики. Полный теоретический анализ этого явления наталкивается на определенные математические сложности, особенно при рассмотрении процессов распространения оптического излучения в волоконных световодах. Поэтому в большинстве курсов общей физики обычно ограничиваются выводом закона Снеллиуса и краткой интерпретацией некоторых физических закономерностей, характерных для ПО. В связи с этим большое значение приобретают лекционные демонстрации, к числу которых, в первую очередь, относятся зависимость предельного угла ПО от относительного показателя преломления двух сред, зависимость фазового сдвига между ортогонально поляризованными компонентами отраженной волны от угла падения (в области ПО) и характер проникновения излучения в область среды с меньшим показателем преломления. Методика проведения этих экспериментов описывается ниже.

Основные направления технического применения ПО сейчас, безусловно, связаны с волоконной оптикой, которая обеспечивает не только каналирование электромагнитной энергии на большие расстояния и в труднодоступные места, но и передачу оптических изображений, а в последнее время – информационных сигналов, что позволяет прогнозировать постепенный переход в будущем от радио- к оптоэлектронике¹. Ознакомлению с этими вопросами в курсе физики посвящены лекционные демонстрации световодов различного назначения (пп. 8.1.4 – 8.1.6).

Следует отметить, что представленный ниже цикл лекционных демонстраций охватывает практически все наиболее важные аспекты явления ПО и дает возможность построения полностью экспериментальной лекции по соответствующему разделу курса физики.

8.1.1. Возникновение полного отражения на границе раздела двух диэлектриков

Явление ПО носит пороговый характер: интенсивность отраженной волны резко увеличивается, когда угол падения i светового пучка на границу раздела с оптически менее плотной средой становится больше предельного угла i_пр = arcsin(n₂/n₁), n₂ < n₁. Для выяснения физической сущности подобных пороговых явлений необходимо обратиться к тем величинам, которые в рассматриваемом явлении меняются непрерывно и монотонно в области своих допустимых значений. В случае ПО такой величиной является угол преломления r, который при увеличении i от 0 до i_пр монотонно увеличивается от 0 до π/2. Таким образом, лекционный эксперимент, иллюстрирующий возникновение явления ПО, должен включать в себя наблюдение отраженного и преломленного пучков света при непрерывном изменении угла падения i светового пучка на границу раздела двух диэлектриков.

Наблюдение явления ПО осуществляется с помощью специальной кюветы из оргстекла (рис. 8.1), представляющей собой сплошной диск с внутренней полостью, образующей диаметральную плоскую границу раздела оргстекло-воздух. Конструктивно кювета состоит из четырех деталей: кольца, образующего боковую поверхность кюветы (внешний диаметр 180 мм, внутренний диаметр 150 мм, ширина 22 мм), двух сплошных дисков, являющихся стенками кюветы (диаметр 180 мм, толщина 3 мм) и половины диска (по диаметру), помещенной внутрь кольца (диаметр полудиска 150 мм, толщина 22 мм). Все поверхности деталей полированные. Соединение деталей друг с другом осуществляется оптически прозрачным клеем или раствором оргстекла в четыреххлористом углероде.

В боковой поверхности кюветы имеется узкое отверстие (диаметр 5 мм), соединенное с полостью, через которое в эту полость может быть залита жидкость.

Рис. 8.1. Демонстрация явления полного отражения.

Пучок света от лазера (ЛГ-75) направляется нормально на боковую (цилиндрическую) поверхность кюветы и в процессе демонстрации остается неизменным. Вращение кюветы вокруг оси позволяет исследовать отражение и преломление света на границе раздела двух диэлектриков как в случае n₁ < n₂ (граница раздела воздух-оргстекло), так и в случае n₁ > n₂ (граница раздела оргстекло-воздух). Наблюдение падающего, отраженного и преломленного пучков производится со стороны плоских стенок кюветы. Хорошая видимость лучей, распространяющихся в оргстекле, обусловлена значительным светорассеянием. Для визуализации световых пучков, распространяющихся в полости, последнюю можно слегка задымить.

При увеличении от 0⁰ угла падения света на границу раздела оргстекло-воздух (рис. 8.2а) хорошо видно, что угол преломления растет быстрее угла падения и равного ему угла отражения.

Рис. 8.2. Зависимость угла преломления от угла падения.

Предельному значению угла преломления 90⁰ (когда преломленный луч «скользит» вдоль границы раздела) соответствует предельный угол ПО i_пр. В данном случае (n₁ = 1,49, n₂ ~ 1) i_пр = 42⁰ (рис. 8.2б). При дальнейшем увеличении угла падения (i > i_пр) преломленный пучок света отсутствует, а интенсивность отраженного пучка резко возрастает, становясь сравнимой с интенсивностью падающего пучка.

Для демонстрации зависимости предельного угла ПО i_пр от относительного показателя преломления n₂/n₁ кювета устанавливается в положение, соответствующее предельному углу i_пр на границе раздела оргстекло-воздух (рис. 8.2б), после чего в полость кюветы заливается вода (желательно с флюоресцирующими добавками)). При этом явление ПО исчезает и появляется преломленный пучок света (рис. 8.2в). Действительно, предельный угол ПО на границе оргстекло-жидкость i'_пр = arcsin (n₂/n₁) = 63⁰, где n₂ = 1,33, n₁ = 1,49, больше i_пр на границе раздела оргстекло-воздух. Для возникновения ПО в этом случае следует увеличить угол падения светового пучка (рис. 8.2г).