ОТРАЖЕ́НИЕ СВЕ́ТА

ОТРАЖЕ́НИЕ СВЕ́ТА, воз­вра­ще­ние све­товых волн в ис­ход­ную про­зрач­ную сре­ду при па­де­нии на гра­ни­цу раз­де­ла двух сред. Воз­ник­но­ве­ние О. с. объ­яс­ня­ет­ся мик­ро­ско­пич. элек­трон­ной тео­ри­ей X. А. Ло­рен­ца (1880), рас­смат­ри­ваю­щей элек­трон (атом) как ос­цил­ля­тор, а сре­ду как на­бор час­тиц-ос­цил­ля­то­ров. Па­даю­щая све­то­вая вол­на вы­зы­ва­ет ко­ле­ба­ния в час­ти­цах, в ре­зуль­та­те они из­лу­ча­ют вто­рич­ные вол­ны, ко­ге­рент­ные с па­даю­щей вол­ной. Вто­рич­ная вол­на од­но­го ато­ма дей­ст­ву­ет на др. ато­мы и вы­зы­ва­ет до­пол­нит. из­лу­че­ние; ин­тер­фе­рен­ция всех этих волн с па­даю­щей объ­яс­ня­ет яв­ле­ния пре­лом­ле­ния и от­ра­же­ния све­та.

В по­гло­щаю­щих сре­дах (напр., в хо­ро­шо про­во­дя­щих ме­тал­лах) па­даю­щая вол­на по­гло­ща­ет­ся прак­ти­че­ски пол­но­стью в тон­ком (ок. 10 нм) слое; её энер­гия пре­вра­ща­ет­ся в энер­гию дви­же­ния элек­трон­ной плаз­мы. Дви­жу­щие­ся элек­тро­ны из­лу­ча­ют, в ре­зуль­та­те че­го фор­ми­ру­ет­ся от­ра­жён­ная вол­на, уно­ся­щая до 99% энер­гии (под­роб­нее см. в ст. Ме­тал­ло­оп­ти­ка).

Про­стран­ст­вен­ное рас­пре­де­ле­ние ин­тен­сив­но­сти от­ра­жён­но­го све­та за­ви­сит от со­от­но­ше­ния ме­ж­ду раз­ме­ра­ми $h$ не­ров­но­стей по­верх­но­сти (гра­ни­цы раз­дела) и дли­ной вол­ны $\lambda$ па­даю­ще­го из­лу­че­ния. Ес­ли $h \ll \lambda$, то О. с. на­прав­лен­ное, или зер­каль­ное. Ес­ли раз­ме­ры не­ров­но­стей по­ряд­ка $\lambda$ или пре­вы­ша­ют её (ше­ро­хо­ва­тые, ма­то­вые по­верх­но­сти) и рас­по­ло­же­ние не­ров­но­стей сто­хас­ти­че­ское, то О. с. – диф­фуз­ное. Воз­мож­но так­же сме­шан­ное О. с., при ко­то­ром часть па­даю­ще­го из­лу­че­ния от­ра­жа­ет­ся зер­каль­но, а часть диф­фуз­но. Ес­ли же не­ров­но­сти с раз­ме­ра­ми $h \geq \lambda$ рас­по­ло­же­ны к.-л. ре­гу­ляр­ным об­ра­зом, то рас­пре­де­ле­ние от­ра­жён­но­го све­та име­ет осо­бый ха­рак­тер, близ­кий к на­блю­дае­мо­му при О. с. от ди­фрак­ци­он­ной ре­шёт­ки, ко­то­рая мо­жет быть пло­ской и объ­ём­ной, в т. ч. го­ло­гра­фи­че­ской.

Зеркальное отражение света

ха­рак­те­ри­зу­ет­ся жё­ст­кой уг­ло­вой свя­зью па­даю­ще­го и от­ра­жён­но­го лу­чей: 1) от­ра­жён­ный, пре­лом­лён­ный и па­даю­щий лу­чи и нор­маль к гра­ни­це раз­де­ла сред ле­жат в плос­ко­сти па­де­ния; 2) угол па­де­ния (ме­ж­ду па­даю­щим лу­чом и нор­ма­лью к по­верх­но­сти) ра­вен уг­лу от­раже­ния. Со­вме­ст­но с за­ко­ном пря­мо­ли­ней­но­го рас­про­стра­не­ния све­та эти за­ко­ны со­став­ля­ют ос­но­ву гео­мет­ри­че­ской оп­ти­ки. Фи­зич. осо­бен­но­сти, воз­ни­каю­щие при О. с. (из­ме­не­ние ам­пли­ту­ды, фа­зы, по­ля­ри­за­ции све­та), объ­яс­ня­ет элек­тро­маг­нит­ная тео­рия све­та, в ос­но­ве ко­то­рой ле­жат урав­не­ния Макс­вел­ла, ус­та­нав­ли­ваю­щие связь па­ра­мет­ров от­ра­жён­но­го све­та с оп­тич. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми и по­сто­ян­ны­ми ве­ще­ст­ва. 

Ес­ли обе гра­ни­ча­щие сре­ды про­зрач­ны, то ам­пли­ту­да и ин­тен­сив­ность от­ра­жён­ной вол­ны оп­ре­де­ля­ют­ся Фре­не­ля фор­му­ла­ми. При пе­ре­хо­де све­та в оп­ти­че­ски ме­нее плот­ную сре­ду из оп­ти­че­ски бо­лее плот­ной (с бóльшим по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния) мо­жет воз­ник­нуть пол­ное внут­рен­нее от­ра­же­ние. В этом слу­чае угол па­де­ния пре­вы­ша­ет кри­тич. угол, при ко­то­ром пре­лом­лён­ный луч ста­но­вит­ся ка­са­тель­ным к по­верх­но­сти гра­ни­цы раз­де­ла. При пол­ном внутр. от­ра­же­нии ко­эф. от­ра­же­ния ра­вен 1. Угол об­зо­ра из бо­лее плот­ной сре­ды (напр., во­ды) в ме­нее плот­ную (напр., воз­дух) вслед­ст­вие пол­но­го внутр. от­ра­же­ния умень­ша­ет­ся, и в воз­ду­хе по­яв­ля­ют­ся об­лас­ти, не­ви­ди­мые из во­ды. По­это­му, напр., ры­ба мо­жет не уви­деть хищ­ную пти­цу, под­ле­таю­щую к ней го­ри­зон­таль­но. 

При О. с. под уг­лом Брю­сте­ра (см. Брю­сте­ра за­кон) со­став­ляю­щая све­та с $p$-по­ля­ри­за­ци­ей, у ко­то­рой век­тор на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля $\boldsymbol E$ па­рал­ле­лен плос­ко­сти па­де­ния, не от­ра­жа­ет­ся, а пол­но­стью пре­лом­ля­ет­ся в от­ра­жаю­щую сре­ду. От­ра­жён­ный свет ока­зы­ва­ет­ся пол­но­стью по­ля­ри­зо­ван пер­пен­ди­ку­ляр­но плос­ко­сти па­де­ния ($s$-по­ля­ри­за­ция).

Диффузное отражение света

пред­став­ля­ет со­бой рас­сея­ние све­та во все­воз­мож­ных на­прав­ле­ни­ях те­лом, ко­то­рое име­ет ше­ро­хо­ва­тую по­верх­ность ли­бо об­ла­да­ет внутр. не­од­но­род­ной струк­ту­рой, ве­ду­щей к рас­сея­нию све­та в объ­ё­ме. 

О. с. от ше­ро­хо­ва­той по­верх­но­сти, пред­став­ляю­щей со­бой со­во­куп­ность разл. об­ра­зом ори­ен­ти­ро­ван­ных пло­ща­док с раз­ме­ра­ми $\geq \lambda$, сво­дит­ся к О. с. эти­ми пло­щад­ка­ми в со­от­вет­ст­вии с фор­му­ла­ми Фре­не­ля; уг­ло­вое рас­пре­де­ле­ние яр­ко­сти и по­ля­ри­за­ции диф­фуз­но от­ра­жён­но­го све­та пол­но­стью оп­ре­де­ля­ет­ся ха­рак­те­ром сто­хас­тич. рас­пре­де­ле­ния пло­ща­док по ори­ен­та­ци­ям. Для по­верх­но­стей, рав­но­мер­но рас­сеи­ваю­щих свет, час­то поль­зу­ют­ся (напр., при све­то­тех­нич. рас­чё­тах) Лам­бер­та за­ко­ном, со­глас­но ко­то­ро­му яр­кость диф­фуз­но от­ра­жаю­ще­го те­ла про­пор­цио­наль­на его ос­ве­щён­но­сти и не за­ви­сит от на­прав­ле­ния, в ко­то­ром она рас­смат­ри­ва­ет­ся. Од­на­ко этот за­кон вы­пол­ня­ет­ся при­бли­жён­но – лишь для тел с вы­со­кой от­ра­жат. спо­соб­но­стью и под уг­ла­ми на­блю­де­ния $\lt$60°.

Все не­све­тя­щие­ся пред­ме­ты вид­ны бла­го­да­ря диф­фуз­но­му О. с. Ес­ли по­верх­ность от­ра­жа­ет зер­каль­но, то вид­на не са­ма гра­ни­ца раз­де­ла, а изо­бра­же­ния пред­ме­тов, по­лу­чен­ные при от­ра­же­нии от этой по­верх­но­сти. О. с. мо­жет ока­зы­вать и вред­ное воз­дей­ст­вие, при­во­дя, напр., к по­яв­ле­нию «бли­ков», умень­ше­нию яр­ко­сти и кон­тра­ст­но­сти изо­бра­же­ния. В этих слу­ча­ях зер­каль­ное О. с. умень­ша­ют, напр. на­но­ся на по­верх­ность оп­тич. де­та­лей спец. тон­кие слои (см. Про­свет­ле­ние оп­ти­ки).

Отражение света от нелинейных сред

мо­жет на­блю­дать­ся при боль­ших мощ­но­стях ла­зер­ных по­лей (10⁸–10¹⁰ Вт/см²), ко­гда про­яв­ля­ет­ся не­ли­ней­ность сре­ды. Напр., при О. с. от не­ли­ней­ной сре­ды (мо­но­кри­сталл CaAs) мо­жет воз­ни­кать 2-я гар­мо­ни­ка, ес­ли сре­да про­зрач­на для осн. час­то­ты, но по­гло­ща­ет гар­мо­ни­ку. При па­де­нии на не­ли­ней­ную сре­ду двух волн с час­то­та­ми $\omega_1$ и $\omega_2$ воз­ни­ка­ет от­ра­жён­ная вол­на на сум­мар­ной час­то­те $\omega_3=\omega_1+\omega_2$ (кро­ме обыч­ных от­ра­жён­ных волн $\omega_1$ и $\omega_2$). При от­ра­же­нии мощ­ной па­даю­щей вол­ны на­блю­да­ет­ся ряд па­ра­мет­рич. эф­фек­тов, свя­зан­ных с оп­тич. эф­фек­том Кер­ра, элек­тро­стрик­ци­ей, фа­зо­вой са­мо­мо­ду­ля­ци­ей (см. Не­ли­ней­ная оп­ти­ка).

Применение

О. с. ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния оп­тич. ха­рак­те­ри­стик ве­ще­ст­ва, вы­яс­не­ния его струк­ту­ры, свойств, осо­бен­но в тех слу­ча­ях, ко­гда ис­сле­до­ва­ния на про­пус­ка­ние труд­ны или не­воз­мож­ны; в спек­траль­ном ана­ли­зе, напр. в ме­то­де на­ру­шен­но­го пол­но­го внут­рен­не­го от­ра­же­ния, ко­то­рый да­ёт ин­фор­ма­цию о струк­ту­ре по­верх­но­ст­ных сло­ёв, что важ­но для тео­рии ад­сорб­ции, по­верх­но­ст­ных и гра­нич­ных яв­ле­ний, ка­та­ли­за и т. п. О. с. при­ме­ня­ет­ся при юс­ти­ров­ке оп­тич. сис­тем, а так­же в сис­темах ла­зер­ной ло­ка­ции, напр. по­верх­но­сти Лу­ны, на ко­то­рой ус­та­нов­ле­ны угол­ко­вые от­ра­жа­те­ли (стек­лян­ные пя­ти­гран­ные приз­мы с пря­мы­ми уг­ла­ми при вер­ши­не ме­ж­ду про­ти­во­по­лож­ны­ми гра­ня­ми, об­ра­щён­ные ос­но­ва­ния­ми пер­пен­ди­ку­ляр­но ла­зер­но­му лу­чу). От­ра­жа­те­ли све­та ус­та­нав­ли­ва­ют на ве­ло­си­пе­дах и на­но­сят на оде­ж­ду до­рож­ных ра­бо­чих, что­бы при по­па­да­нии на них све­та фар они «све­ти­лись». Воз­вра­ща­ет свет об­рат­но к ис­точ­ни­ку так­же сис­те­ма «кош­кин глаз», пред­став­ляю­щая со­бой лин­зу с ус­та­нов­лен­ным в её фо­каль­ной плос­ко­сти зер­ка­лом. Та­кие от­ра­жа­те­ли вы­пол­ня­ют псев­до­об­ра­ще­ние вол­но­во­го фрон­та, т. е. рас­хо­дя­щая­ся вол­на по­сле от­ра­же­ния от них ос­та­ёт­ся рас­хо­дя­щей­ся, хо­тя и на­прав­лен­ной к ис­точ­ни­ку. Умень­шить по­те­ри све­та, воз­ни­каю­щие вслед­ст­вие рас­хо­ди­мо­сти лу­ча и слу­чай­ных фа­зо­вых не­од­но­род­но­стей ат­мо­сфе­ры, в ло­ка­ци­он­ных сис­те­мах мож­но с по­мо­щью об­ра­щаю­щих вол­но­вой фронт зер­кал. Они пре­об­ра­зу­ют рас­хо­дя­щий­ся пу­чок в схо­дя­щий­ся на ис­точ­ник све­та пу­чок.