книги из ГПНТБ / Кизель В.А. Отражение света

18 ВВЕДЕНИЕ

влияют (во всяком случае, на достаточно большом рас­ стоянии от границы) на падающую волну и на источник излучения. Иными словами, источник предполагается удаленным от поверхности раздела на расстояние, боль­ шое по сравнению с длиной волны и с длиной когерент­ ности. 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 колеба­ ний близки к собственным частотам атомно-молекуляр­ ных систем, а длины воли существенно превосходят микроскопически характерные для среды размеры (на­ пример, межмолекулярные расстояния, постоянные ре­ шетки, 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 обла­ сти заключается в категорической необходимости учи­ тывать статистический характер оптического излучения и происходящие отсюда обстоятельства. Наконец, сле­ дует отметить, что в оптическом диапазоне нелинейные эффекты наблюдаются лишь при особо высоких мощ­ ностях световых потоков и, по большей части, невелики.

Весьма широкий круг вопросов отражения разреша­ ется феноменологической макроскопической теорией. Микроскопическая теория позволяет рассмотреть меха­ низм процессов и за пределами пригодности этого под­ хода, она раскрывает физический смысл введенных фор­ мально параметров, позволяет учесть отличительный для оптики статистический характер излучения отдель­

пический подход по существу снимает упомянутые выше терминологические трудности.

Существуют различные виды элементарных актов взаимодействия электромагнитного излучения с вещест­

(двухфотонным процессом, рассматриваемым во втором

ной, меняется лишь его конфигурация (направление распространения).

Однако уже в этом случае происходят промежуточ­ ные процессы преобразования энергии. Энергия падаю­ щей волны превращается (частично) в энергию вынуж­ денных колебаний частиц среды. Эти колебания порож­ дают вторичные волны (происходит когерентное ■) не­ смещенное рэлеевское рассеяние в среде).

Сложение падающей волны со вторичными волнами создает отраженные и преломленные волны. Из элемен­ тарного опыта ясно, что эти процессы разыгрываются в каком-то очень тонком слое вблизи границы раздела.

Еще сложнее процесс в поглощающих средах. Так, в хорошо проводящем металле падающая волна погло­

щается практически полностью в топком (порядка

о

100 Л) слое; энергия ее превращается в основном в энер­ гию движения электронной плазмы. Движущиеся элек­ троны излучают, в результате чего формируется отра­ женная волна, уносящая до 99% и более первоначально поглощенной энергии; лишь малая доля уходит на «разогрев» решетки металла.

Таким образом, в отражающей среде имеется опре­ деленный запас энергии. Эта энергия доставляется в процессе установления и формирования отраженного поля, а в стационарном состоянии лишь поддерживается определенным потоком энергии из среды 1 (в конечном счете, очевидно, из падающей волны). Запас этот в сре­ де 2 может быть значительным, даже при полном внут­ реннем отражении в среду 1 п отражении от «хороших» металлов, достигающем 98—99%. Это же происходит, конечно, и в неоднородных, например, мутных и дис­ персных средах, где время установления поля может быть значительным из-за' большой глубины пробега фотонов, формирующих отраженный свет за счет мно­ гократного рассеяния («пленение излучения» — процесс некогерентный и здесь не обсуждается).

]) Предполагается, что мекогерентиые процессы в среде 2, могу­ щие сопутствовать явлению отражения и преломления, отбирать энер­ гию из прошедшего пучка и частично вносить ее в направлении отра­ женного пучка (комбинационное рассеяние, люминесценция и т. п.), отсутствуют; здесь эти процессы не рассматриваются.

Кардинально важным вопросом теории и практики явлений отражения оказывается роль поверхности. Этот вопрос (ограничиваясь зеркально гладкой поверхностью) рассматривается в двух аспектах:

1. Как будет видно в дальнейшем, на параметры отраженного света влияют тончайшие (вплоть до мономолекулярных) поверхностные слои и их особенности. Поэтому при исследовании отражения удается выяс­ нить особенности структуры поверхности чистого веще­ ства, расположение и ориентацию частиц в 1—2 при­ поверхностных слоях, роль поверхностных уровней и состояний, поверхностных экситонов и плазмоиов, поляритонов, ход скин-эффекта и т. д., а также подробности и кинетику процессов адсорбции, окисле­ ния и т. п.

2. Подобная чувствительность при исследовании свойств вещества в объеме создает огромные экспери­ ментальные и теоретические трудности. Для точности измерений необходимы исключительно тщательная хи­ мическая очистка поверхности и тщательное устранение дефектов и нарушений структуры, вызванных обработ­ кой. Если для некоторых случаев (жидкости, металлы) такие способы, хотя и трудные, все же разработаны, то в ряде случаев эта проблема еще не решена. Если даже приняты все необходимые меры предосторожности, все же для суждения о свойствах вещества в объеме по результатам измерений отражения необходимо иметь надежную теорию, связывающую свойства поверхности и толщи, или уточнить эту связь независимыми экспе­ риментами.

Г Л А В А П Е Р В А Я

ПРОСТЕЙШАЯ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

§ 1. Основы макроскопической теории

Формулы, описывающие отражение света в первом приближении, получаются в феноменологической макро­ скопической линейной электродинамике для случая от­ ражения неограниченной плоской монохроматической волны от гладкой неподвижной границы раздела двух полубесконечных сред при соблюдении условия излу­ чения и в предположении наличия локальных связей между напряженностями поля н индукциями.

Наиболее простым является решение в том случае, когда обе среды можно считать идеально однородными, а границу раздела — геометрической плоскостью. Во­ прос о том, насколько позволительно применение та­ ких упрощений и их границах обсуждается в даль­ нейшем.

Пусть на плоскость раздела из среды 1 падает волна вида

где R — радиус-вектор, лежащий в описываемой плоско­ сти; N — единичный вектор нормали к поверхности, на­ правленный в средѵ 2.

Поле отраженного и преломленногосвета в первом приближении (см. ниже) можно представить в виде суперпозиции плоских волн

отраженных

(1.7)

Ег2) = E ^ e^ (f2V_k‘2)r),

и преломленных

( 1.8 )

Выражения для Н аналогичны.

Подставляя (1.7) и (1.8) в (1.3), получаем, что для удовлетворения этих условий на всей поверхности раз­

Ограничение монохроматическим полем означает, что компоненты поля разных частот считаются независи­ мыми, а уравнения — линейными.

разложено на падающую, отраженную и преломленную волны и что эти волны имеют вид (1.7) и (1.8), не всег­ да справедливо.

А. Для анизотропных однородных сред можно ука­ зать случаи, когда уравнения Максвелла удовлетворяют­

для которых имеют место особые законы распростране­ ния и, в частности, отражения. Экспериментально по­ добные волны пока не обнаруживались и не исследова­ лись. Они, очевидно, могут иметь место только в не­ посредственной близости от поверхности раздела, в ча­ стности, при падении плоской волны на поверхность анизотропной среды. Об условиях их появления см.

[2, 3].

Б. Если рассматривается отражение ограниченного падающего пучка или отражение плоской волны телом конечных размеров, следует учесть, что теория пригодна лишь в приближении лучевой оптики, так как не учи­ тывает явлений дифракции.

Ограниченный пучок, как известно, может быть изображен в виде фурье-разложения по неограничен­ ным плоским волнам разных направлений с разными к,-; подобный пучок обладает, вообще говоря, опреде­ ленной внутренней структурой, со спадом интенсивно­ стей по краям, и закон отражения его более сложен; он рассматривается в § 9.

Рассмотрение отражения ограниченных пучков выяв­ ляет также то обстоятельство, что разделение поля на падающую и отраженную волны из-за явлений дифрак­ ции становится невозможным в области больших зна­ чений угла падения ср, близких к скользящему.