La riflessione della luce è speculare (speculare) o diffusa (mantenendo l’energia, ma perdendo l’immagine) a seconda della natura dell’interfaccia. Nella riflessione speculare la fase delle onde riflesse dipende dalla scelta dell’origine delle coordinate, ma la fase relativa tra le polarizzazioni s e p (TE e TM) è fissata dalle proprietà dei media e dell’interfaccia tra loro.,
Uno specchio fornisce il modello più comune per la riflessione della luce speculare e in genere è costituito da una lastra di vetro con un rivestimento metallico in cui si verifica la riflessione significativa. La riflessione è migliorata nei metalli sopprimendo la propagazione delle onde oltre le loro profondità cutanee. La riflessione si verifica anche sulla superficie di supporti trasparenti, come acqua o vetro.
Nel diagramma, un raggio di luce PO colpisce uno specchio verticale nel punto O e il raggio riflesso è OQ., Proiettando una linea immaginaria attraverso il punto O perpendicolare allo specchio, noto come normale, possiamo misurare l’angolo di incidenza, θi e l’angolo di riflessione, θr. La legge di riflessione afferma che θi = θr, o in altre parole, l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione.
Infatti, la riflessione della luce può verificarsi ogni volta che la luce viaggia da un mezzo di un dato indice di rifrazione in un mezzo con un indice di rifrazione diverso. Nel caso più generale, una certa frazione della luce viene riflessa dall’interfaccia e il resto viene rifratto., Risolvere le equazioni di Maxwell per un raggio di luce che colpisce un confine consente la derivazione delle equazioni di Fresnel, che possono essere utilizzate per prevedere quanta luce viene riflessa e quanto viene rifratta in una data situazione. Questo è analogo al modo in cui la mancata corrispondenza di impedenza in un circuito elettrico provoca la riflessione dei segnali. La riflessione interna totale della luce da un mezzo più denso si verifica se l’angolo di incidenza è maggiore dell’angolo critico.
La riflessione interna totale viene utilizzata come mezzo per focalizzare le onde che non possono essere riflesse efficacemente con mezzi comuni., I telescopi a raggi X sono costruiti creando un “tunnel” convergente per le onde. Mentre le onde interagiscono a basso angolo con la superficie di questo tunnel, vengono riflesse verso il punto di messa a fuoco (o verso un’altra interazione con la superficie del tunnel, alla fine dirette al rivelatore al fuoco). Un riflettore convenzionale sarebbe inutile in quanto i raggi X passerebbero semplicemente attraverso il riflettore previsto.
Quando la luce si riflette su un materiale con un indice di rifrazione superiore al mezzo in cui viaggia, subisce uno sfasamento di 180°., Al contrario, quando la luce si riflette su un materiale con un indice di rifrazione inferiore, la luce riflessa è in fase con la luce incidente. Questo è un principio importante nel campo dell’ottica a film sottile.
La riflessione speculare forma le immagini. La riflessione da una superficie piana forma un’immagine speculare, che sembra essere invertita da sinistra a destra perché confrontiamo l’immagine che vediamo con quella che vedremmo se fossimo ruotati nella posizione dell’immagine. La riflessione speculare su una superficie curva forma un’immagine che può essere ingrandita o smagnificata; gli specchi curvi hanno potenza ottica., Tali specchi possono avere superfici sferiche o paraboliche.
Rifrazione della luce all’interfaccia tra due supporti.
Leggi di riflessione
Un esempio di legge di riflessione
Se la superficie riflettente è molto liscia, il riflesso della luce che si verifica è chiamato speculare o regolari di riflessione., Le leggi della riflessione sono le seguenti:
- Il raggio incidente, il raggio riflesso e il normale alla superficie di riflessione nel punto dell’incidenza si trovano sullo stesso piano.
- L’angolo che il raggio incidente fa con la normale è uguale all’angolo che il raggio riflesso fa alla stessa normale.
- Il raggio riflesso e il raggio incidente si trovano sui lati opposti del normale.
Queste tre leggi possono essere tutte derivate dalle equazioni di Fresnel.,
Meccanismo
Simulazione 2D: riflessione di una particella quantistica. La sfocatura bianca rappresenta la distribuzione di probabilità di trovare una particella in un dato luogo se misurata.
Nell’elettrodinamica classica, la luce è considerata come un’onda elettromagnetica, che è descritta dalle equazioni di Maxwell., Onde luminose incidente su un materiale indurre piccole oscillazioni di polarizzazione nei singoli atomi (o oscillazione di elettroni, in metalli), causando ogni particella di irradiare una piccola onda secondaria in tutte le direzioni, come un’antenna a dipolo. Tutte queste onde si sommano per dare riflessione speculare e rifrazione, secondo il principio di Huygens–Fresnel.
Nel caso di dielettrici come il vetro, il campo elettrico della luce agisce sugli elettroni nel materiale e gli elettroni in movimento generano campi e diventano nuovi radiatori., La luce rifratta nel vetro è la combinazione della radiazione diretta degli elettroni e della luce incidente. La luce riflessa è la combinazione della radiazione all’indietro di tutti gli elettroni.
Nei metalli, gli elettroni senza energia di legame sono chiamati elettroni liberi. Quando questi elettroni oscillano con la luce incidente, la differenza di fase tra il loro campo di radiazione e il campo incidente è π (180°), quindi la radiazione in avanti annulla la luce incidente e la radiazione all’indietro è solo la luce riflessa.,
L’interazione luce–materia in termini di fotoni è un argomento dell’elettrodinamica quantistica, ed è descritto in dettaglio da Richard Feynman nel suo popolare libro QED: The Strange Theory of Light and Matter.,
riflessione Diffusa
Generale meccanismo di dispersione che dà riflessione diffusa da una superficie solida
Quando la luce colpisce la superficie di un (non metallici) materiale rimbalza in tutte le direzioni a causa di riflessioni multiple delle microscopiche irregolarità all’interno del materiale (ad esempio, i confini di grano di un materiale policristallino, o la cella o in fibra confini di un materiale organico) e dalla sua superficie, se è ruvida. Quindi, non si forma un’immagine., Questo è chiamato riflessione diffusa. La forma esatta del riflesso dipende dalla struttura del materiale. Un modello comune per la riflessione diffusa è la riflettanza lambertiana, in cui la luce viene riflessa con uguale luminanza (in fotometria) o radianza (in radiometria) in tutte le direzioni, come definito dalla legge del coseno di Lambert.
La luce inviata ai nostri occhi dalla maggior parte degli oggetti che vediamo è dovuta alla riflessione diffusa dalla loro superficie, quindi questo è il nostro meccanismo primario di osservazione fisica.,
Retroriflessione
Principio di funzionamento di un riflettore angolare
Alcune superfici presentano retroriflessione. La struttura di queste superfici è tale che la luce viene restituita nella direzione da cui proviene.
Quando si sorvolano le nuvole illuminate dalla luce del sole, la regione vista intorno all’ombra dell’aereo apparirà più luminosa e un effetto simile può essere visto dalla rugiada sull’erba., Questa retroriflessione parziale è creata dalle proprietà rifrattive della superficie della goccia curva e dalle proprietà riflettenti sul retro della goccia.
Le retine di alcuni animali fungono da retroriflettori (vedi tapetum lucidum per maggiori dettagli), in quanto ciò migliora efficacemente la visione notturna degli animali. Poiché le lenti dei loro occhi modificano reciprocamente i percorsi della luce in entrata e in uscita, l’effetto è che gli occhi agiscono come un forte retroriflettore, a volte visto di notte quando si cammina in terre selvagge con una torcia elettrica.,
Un semplice retroriflettore può essere realizzato posizionando tre specchi ordinari reciprocamente perpendicolari l’uno all’altro (un riflettore angolare). L’immagine prodotta è l’inverso di quella prodotta da un singolo specchio. Una superficie può essere resa parzialmente retroriflettente depositando uno strato di minuscole sfere rifrattive su di essa o creando piccole strutture piramidali. In entrambi i casi la riflessione interna fa sì che la luce venga riflessa nel punto in cui ha avuto origine. Questo è usato per rendere i segnali stradali e le targhe automobilistiche riflettono la luce per lo più nella direzione da cui proveniva., In questa applicazione perfetta retroriflessione non è desiderato, dal momento che la luce sarebbe poi essere diretto indietro nei fari di una macchina in arrivo, piuttosto che agli occhi del conducente.
Riflessioni multiple
Riflessioni multiple in due specchi piani con un angolo di 60°.
Quando la luce si riflette su uno specchio, viene visualizzata un’immagine. Due specchi posizionati esattamente faccia a faccia danno l’aspetto di un numero infinito di immagini lungo una linea retta., Le immagini multiple viste tra due specchi che siedono ad angolo tra loro giacciono su un cerchio. Il centro di quel cerchio si trova all’intersezione immaginaria degli specchi. Un quadrato di quattro specchi posti faccia a faccia danno l’aspetto di un numero infinito di immagini disposte su un piano. Le immagini multiple viste tra quattro specchi che assemblano una piramide, in cui ogni coppia di specchi si trova un angolo l’uno rispetto all’altro, giacciono su una sfera. Se la base della piramide è a forma di rettangolo, le immagini si diffondono su una sezione di un toro.,
Si noti che questi sono ideali teorici, che richiedono un perfetto allineamento di riflettori perfettamente lisci e perfettamente piatti che non assorbono nessuna luce. In pratica, queste situazioni possono essere affrontate solo ma non raggiunte perché gli effetti di eventuali imperfezioni superficiali nei riflettori si propagano e si ingrandiscono, l’assorbimento spegne gradualmente l’immagine e qualsiasi apparecchiatura di osservazione (biologica o tecnologica) interferirà.,
Riflessione coniugata complessa
In questo processo (noto anche come coniugazione di fase), la luce rimbalza esattamente nella direzione da cui proviene a causa di un processo ottico non lineare. Non solo la direzione della luce è invertita, ma anche i fronti d’onda effettivi sono invertiti. Un riflettore coniugato può essere utilizzato per rimuovere le aberrazioni da un fascio riflettendolo e quindi facendo passare il riflesso attraverso l’ottica aberrante una seconda volta., Se si dovesse guardare in uno specchio coniugante complesso, sarebbe nero perché solo i fotoni che hanno lasciato la pupilla raggiungerebbero la pupilla.