Reflektion (fysik)

reflektion av ljus är antingen spekulärt (spegelliknande) eller diffust (behåller energin, men förlorar bilden) beroende på gränssnittets natur. I spekulärreflektion beror fasen av de reflekterade vågorna på valet av koordinaternas ursprung, men den relativa fasen mellan S och p (TE och TM) polarisationer fixeras av mediernas egenskaper och gränssnittet mellan dem.,

en spegel ger den vanligaste modellen för spegelbild av ljus, och består vanligtvis av ett glasark med en metallisk beläggning där den signifikanta reflektionen uppträder. Reflektion förbättras i metaller genom undertryckande av vågförökning bortom deras huddjup. Reflektion sker också vid ytan av transparenta medier, såsom vatten eller glas.

i diagrammet slår en ljusstråle PO en vertikal spegel vid punkt O, och den reflekterade strålen är OQ., Genom att projicera en imaginär linje genom punkt O vinkelrätt mot spegeln, känd som den normala, kan vi mäta infallsvinkeln, θi och reflektionsvinkeln, θr. Reflektionslagen säger att θi = θr, eller med andra ord, är incidensvinkeln lika med reflektionsvinkeln.

faktum är att reflektion av ljus kan uppstå när ljuset färdas från ett medium av ett givet brytningsindex till ett medium med ett annat brytningsindex. I det vanligaste fallet reflekteras en viss del av ljuset från gränssnittet,och resten bryts., Lösa Maxwells ekvationer för en ljusstråle slående en gräns tillåter härledning av Fresnel ekvationer, som kan användas för att förutsäga hur mycket av ljuset reflekteras, och hur mycket bryts i en given situation. Detta är analogt med hur impedans obalans i en elektrisk krets orsakar reflektion av signaler. Total inre reflektion av ljus från ett tätare medium uppstår om infallsvinkeln är större än den kritiska vinkeln.

total intern reflektion används som ett medel för att fokusera vågor som inte effektivt kan återspeglas på vanligt sätt., Röntgenteleskop är konstruerade genom att skapa en konvergerande ”tunnel” för vågorna. När vågorna interagerar i låg vinkel med ytan av denna tunnel reflekteras de mot fokuspunkten (eller mot en annan interaktion med tunnelytan, så småningom riktas mot detektorn i fokus). En konventionell reflektor skulle vara värdelös eftersom röntgenstrålarna helt enkelt skulle passera genom den avsedda reflektorn.

När ljuset reflekterar bort av ett material med högre brytningsindex än det medium som reser, genomgår det en 180° fasförskjutning., I kontrast, när ljuset reflekterar bort av ett material med lägre brytningsindex reflekteras ljuset i fas med infallande ljus. Detta är en viktig princip inom området för tunnfilmsoptik.

spegelbild bildar bilder. Reflektion från en plan yta bildar en spegelbild, som verkar vara omvänd från vänster till höger eftersom vi jämför bilden vi ser till vad vi skulle se om vi roterades i bildens position. Spegelreflektion på en krökt yta bildar en bild som kan förstoras eller avmagnetiseras; böjda speglar har optisk effekt., Sådana speglar kan ha ytor som är sfäriska eller paraboliska.

reflektionslagar

om den reflekterande ytan är mycket jämn, kallas reflektionen av ljus som uppstår spekulärt eller regelbundet reflektion., Reflektionslagarna är följande:

1. den infallande strålen, den reflekterade strålen och den normala till reflektionsytan vid incidenspunkten ligger i samma plan.
2. den vinkel som den infallande strålen gör med det normala är lika med den vinkel som den reflekterade strålen gör till samma normala.
3. den reflekterade strålen och den infallande strålen är på motsatta sidor av det normala.

dessa tre lagar kan alla härledas från Fresnel ekvationer.,

mekanism

i klassisk elektrodynamik betraktas ljus som en elektromagnetisk våg, som beskrivs av Maxwells ekvationer., Ljusvågor som infaller på ett material inducerar små svängningar av polarisation i de enskilda atomerna (eller oscillation av elektroner, i metaller), vilket gör att varje partikel utstrålar en liten sekundär våg i alla riktningar, som en dipolantenn. Alla dessa vågor lägger till för att ge spekulärreflektion och brytning, enligt Huygens–Fresnel-principen.

När det gäller dielektrikum som glas verkar ljusets elektriska fält på elektronerna i materialet och de rörliga elektronerna genererar fält och blir nya radiatorer., Det Brytande ljuset i glaset är kombinationen av elektronernas främre strålning och det infallande ljuset. Det reflekterade ljuset är kombinationen av bakåtstrålningen hos alla elektroner.

i metaller kallas elektroner utan bindningsenergi fria elektroner. När dessa elektroner oscillerar med det infallande ljuset är fasskillnaden mellan deras strålfält och infallande fält π (180°), så framstrålningen avbryter det infallande ljuset och bakåtstrålning är bara det reflekterade ljuset.,

ljus-Materia interaktion när det gäller fotoner är ett ämne av kvantelektrodynamik, och beskrivs i detalj av Richard Feynman i sin populära bok QED: The Strange Theory of Light and Matter.,

diffus reflektion

När ljuset träffar ytan av ett (icke-metalliskt) material studsar det i alla riktningar på grund av flera reflektioner av de mikroskopiska ojämnheterna inuti materialet (t.ex. polykristallint material, eller cell-eller fibergränser av ett organiskt material) och av dess yta, om det är grovt. Således bildas inte en ”bild”., Detta kallas diffus reflektion. Den exakta formen av reflektionen beror på materialets struktur. En gemensam modell för diffus reflektion är Lambertisk reflektans, där ljuset reflekteras med lika luminans (i fotometri) eller strålning (i radiometri) i alla riktningar, enligt definitionen i Lamberts cosinus lag.

ljuset som skickas till våra ögon av de flesta objekt vi ser beror på diffus reflektion från deras yta, så att detta är vår primära mekanism för fysisk observation.,

Retroreflektion

vissa ytor uppvisar retroreflektion. Strukturen hos dessa ytor är sådan att ljuset returneras i den riktning från vilken det kom.

När du flyger över moln upplysta av solljus regionen sett runt flygplanets skugga kommer att visas ljusare, och en liknande effekt kan ses från dagg på gräs., Denna partiella retroreflektion skapas av brytningsegenskaperna hos den krökta droppens yta och reflekterande egenskaper vid droppens baksida.

vissa djurs retinas fungerar som retroreflektorer (se tapetum lucidum för mer detaljerat), eftersom detta effektivt förbättrar djurens nattsyn. Eftersom linserna i deras ögon modifierar ömsesidigt vägarna för det inkommande och utgående ljuset är effekten att ögonen fungerar som en stark retroreflektor, ibland sett på natten när de går i vildmarker med ficklampa.,

en enkel retroreflektor kan göras genom att placera tre vanliga speglar ömsesidigt vinkelrätt mot varandra (en hörnreflektor). Bilden som produceras är inversen av en som produceras av en enda spegel. En yta kan göras delvis retroreflektiv genom att deponera ett lager av små brytningsfärer på den eller genom att skapa små pyramid liknande strukturer. I båda fallen får inre reflektion ljuset att reflekteras tillbaka till var det härstammar. Detta används för att göra trafikskyltar och bil registreringsskyltar reflektera ljus mestadels tillbaka i den riktning från vilken det kom., I denna ansökan är perfekt retroreflektion inte önskvärt, eftersom ljuset sedan skulle riktas tillbaka till strålkastarna på en mötande bil snarare än till förarens ögon.

multiple reflections

När ljuset reflekterar från en spegel visas en bild. Två speglar placerade exakt ansikte mot ansikte ger utseendet på ett oändligt antal bilder längs en rak linje., De flera bilder som ses mellan två speglar som sitter i en vinkel mot varandra ligger över en cirkel. Mitten av den cirkeln ligger vid spegelns imaginära korsning. En kvadrat med fyra speglar placerade ansikte mot ansikte ger utseendet på ett oändligt antal bilder ordnade i ett plan. De flera bilderna som ses mellan fyra speglar som monterar en pyramid, där varje par speglar sitter en vinkel mot varandra, ligger över en sfär. Om pyramidens botten är rektangelformad sprids bilderna över en sektion av en torus.,

Observera att dessa är teoretiska idealer, vilket kräver perfekt inriktning av perfekt släta, perfekt platta perfekta reflektorer som inte absorberar något av ljuset. I praktiken kan dessa situationer endast närma sig men inte uppnås eftersom effekterna av eventuella ytfel i reflektorerna sprider och förstorar, absorptionen släcker gradvis bilden, och all observationsutrustning (biologisk eller teknisk) kommer att störa.,

komplex konjugerad reflektion

i denna process (som också kallas faskonjugering) studsar ljuset exakt tillbaka i den riktning från vilken det kom på grund av en olinjär optisk process. Inte bara riktningen av ljuset är omvänd, men de faktiska vågfronterna är också omvända. En konjugatreflektor kan användas för att avlägsna avvikelser från en stråle genom att reflektera den och sedan passera reflektionen genom aberrating optiken en andra gång., Om man skulle titta in i en komplex konjugeringsspegel, skulle det vara svart eftersom endast fotonerna som lämnade eleven skulle nå eleven.