Поляризация отраженной волны.
Демонстрация состояния поляризации отраженной волны при ПО представляется целесообразной, даже если вопрос о фазовых соотношениях между ортогонально поляризованными компонентами отраженной волны в случае ПО подробно в курсе лекций не рассматривается. Действительно, при увеличении угла падения света на границу раздела в области i > iпр интенсивность отраженной волны не изменяется, оставаясь равной интенсивности падающей волны (в пренебрежении поглощением и рассеянием света). В этом случае напрашивается вопрос: меняются ли при этом другие характеристики отраженной волны? Лекционная демонстрация поляризационных характеристик отраженной волны позволяет быстро и наглядно ответить на этот вопрос. Кроме того, изменение формы поляризации отраженной волны в области ПО находит важное практическое применение, особенно в инфракрасной области оптического спектра. Классическим примером применения ПО в поляризационной технике служит описываемый ниже ромб Френеля, эквивалентный четвертьволновой фазовой пластинке из анизотропного кристалла.
Рис. 8.3. Ромб Френеля.
Для демонстрации возникновения фазового сдвига между ортогонально поляризованными компонентами отраженной волны и применения этого эффекта в поляризационной технике воспользуемся системой из двух 600 призм, которая близка по своим параметрам к ромбу Френеля (рис. 8.3). С помощью известной формулы для фазового сдвига δ между линейно поляризованными компонентами (в плоскости и перпендикулярно плоскости падения на границу раздела) отраженной волны
легко вычислить для i = 600, n = 1,5 сдвиг фазы, возникающий при одном полном отражении от границы раздела стекло-воздух, δ ~ 41,50.
Таким образом, два полных отражения приводят к фазовому сдвигу ~ 830, близкому к 900.
Рис. 8.4. Демонстрация фазовых соотношений при ПО.
Для того, чтобы убедиться в этом экспериментально, направим линейно поляризованное в вертикальной плоскости излучение газового лазера ЛГ-75 (рис. 8.4) через полуволновую пластинку для поворота азимута поляризации излучения на 450 1. В отсутствие призм это излучение проходит через анализатор, вращением которого можно менять освещенность пятна на экране (закон Малюса). После прохождения системы из двух призм поляризация света становится близкой к круговой, так что при вращении анализатора освещенность пятна на экране практически не изменяется.
Проникновение излучения в область среды с меньшим показателем преломления
Как известно, при полном отражении излучение проникает в область среды с меньшим показателем преломления, экспоненциально затухая в направлении, перпендикулярном границе раздела двух сред. Постоянная затухания в показателе экспоненты имеет порядок длины волны излучения, вследствие чего в оптическом диапазоне обнаружить это излучение в среде с меньшим показателем преломления довольно трудно. В СВЧ диапазоне электромагнитных волн экспериментальная демонстрация рассматриваемого явления существенно упрощается [5].
Рис. 8.5. Парафиновые призмы для демонстрации.
Лекционный эксперимент проводится с помощью двух крупногабаритных 450 парафиновых призм1 (рис. 8.5), на гипотенузной грани одной из которых происходит ПО электромагнитного излучения, распространяющегося из рупорной антенны УКВ-генератора (рабочая длина волны 3,2 см). Регистрация отраженного излучения осуществляется с помощью другой рупорной антенны, сигнал с которой после усиления и детектирования управляет либо накалом обычной лампочки (световая индикация), либо громкостью звучания динамика (звуковая индикация) (рис. 8.6а)2. Помещение приемного рупора за гипотенузной гранью (штриховое изображение на рис. 8.6а) показывает, что в дальней зоне за этой гранью электромагнитного излучения нет.
Рис. 8.6. Демонстрация проникновения излучения за границу двух сред.
Демонстрация существования электромагнитного излучения в непосредственной близости от границы раздела двух сред при ПО осуществляется с помощью второй призмы, которая в процессе проведения эксперимента придвигается своей гипотенузной гранью к первой призме (рис. 8.6б). Приемная рупорная антенна при этом располагается после второй призмы. Когда расстояние между гипотенузными гранями призм становится равным 2 – 3 λ (то есть 5 – 6 см), приемная антенна начинает регистрировать слабый сигнал, экспоненциально нарастающий при сближении призм на меньшие расстояния.
При объяснении данного эксперимента следует особо остановиться на роли второй призмы, позволяющей осуществить регистрацию электромагнитной волны в области среды с меньшим показателем преломления. Дело в том, что излучение вблизи границы раздела в этой области распространяется только вдоль границы раздела (неоднородная поверхностная волна) и непосредственно зарегистрировать ее с помощью рупорной антенны весьма сложно. Вторая призма, помещенная вблизи границы раздела, «отбирает» часть колеблющейся мощности электромагнитного излучения и направляет ее в сторону одной из своих катетных граней, после которой излучение легко собирается приемным рупором. Следует отметить, что сигнал приемной антенны при своем увеличении, сопровождающем сближение призм, испытывает небольшие, но хорошо заметные осцилляции, обусловленные интерференционными эффектами в пространстве между «параллельными» гипотенузными гранями двух призм.
При проведении описываемой демонстрации уместно сказать, что аналогичные эффекты, в частности, туннелирование, имеют место в квантовой механике.