هیجان با نور و لیزر
زاویه بروستر (اپتیک محیط های ناهمسانگرد)

 

زاویه بروستر
هر گاه پرتوی به یک سطح بتابد، بخشی از آن از سطح بازتاب می کند که این سهم بازتابیده به زاویه تابش و قطبش نور فرودی بستگی دارد. ابتدا بطور مختصر به مفهوم قطبش میپردازیم. همانطور که میدانید نور یک موج الکترومغناطیس است و دارای میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی و بردار انتشار میباشد. میدان الکتریکی هر موج الکترو مغناطیس را می­توان به دو مؤلفه در صفحه تابش (قطبش طولی) P و عمود بر صفحه تابش (قطبش عرضی) S تجزیه کرد. اگر میدان الکتریکی عمود بر صفحه تابش باشد، قطبیدگی TE خواهیم داشت و اگر میدان الکتریکی در صفحه تابش باشد، قطبش آن TM است. در اینجا منظور از صفحه تابش، صفحه­ای است که هم پرتو تابیده و هم پرتو باز تابیده در آن قرار دارند.
بنا بر نتایج تجربی که به کمک نظریه­ی الکترومغناطیس نیز قابل تایید است، در حالتی که پرتو فرودی قطبش TM داشته باشد، همواره به ازای یک زاویه ی خاص، شدت پرتو بازتابی صفر میشود. این زاویه به نسبت ضرایب شکست دو محیط بستگی دارد و آن را زاویه بروستر مینامند. البته در مورد سایر انواع قطبش از جمله قطبش TE همواره ضریب بازتاب غیر صفر می­باشد.
مقدار زاویه بروستر از رابطه­ی
n2 / n1=   tan  iB 
حاصل می­گردد که در آن iB زاویه ی بروستر بوده و n1 و n2 به ترتیب ضرایب شکست محیط­های اول و دوم می باشند. بنابراین اگر پرتو نور تحت زاویه­ی بروستر بر یک محیط دی الکتریک فرود آید، قطبش  TM حذف شده و نور بازتابیده صرفا  دارای قطبش خطی TE خواهد بود.
بطور تجربی نیز میتوان زاویه بروستر را پیدا کرد. بدین منظور کافیست برای یک نور در صفحه تابش (TM)، زاویه تابش را چنان تنظیم نماییم که در مرز مشترک دو محیط هیچ بازتابی نداشته باشیم و تمام نورها بر محیط دوم گذر نمایند. در چنین حالتی ضریب بازتاب در سیستم صفر می‌شود و زاویه تابش را زاویه بروستر می‌نامند. این سیستم به عنوان عبور کننده عمل می‌کند و هیچ انعکاسی از مرز نخواهیم داشت. در صورتیکه نور تابیده بر سطح غیر قطبیده بوده و تابش تحت  زاویه بروستر باشد، بازتاب برای مولفه در صفحه تابش صفر می­شود و نور بازتابی قطبیده خطی عمود بر صفحه تابش خواهد بود و نور عبوری به طور جزئی قطبیده است . چون در فرود با زاویه بروستر، کل نور بازتابی پلاریزه خطی است بنابراین تولید نور قطبیده با روش بازتاب تحت زاویه بروستر برای موج الکترومغناطیسی عرضی به کار می­رود.
به ازای این زاویه بخصوص قانون اسنل به شکل زیر در می‌آید:
(n1 sini = n2 sin (180-i
بنابراین: i = arctan n2/n1 و با حرف B اول کلمه بروستر که کاشف اول زاویه بروستر می‌باشد، نشان می‌دهند (i = B). اگر ضریب شکست نسبی دو محیط (n = n2/n1) باشد، خواهیم داشت:
B = arc tan n
به عنوان مثال برای شیشه با ضریب شکست n = 1.5 در بازتاب بیرونی از هوا به شیشه B = arctan 1.5 = 57 درجه و برای بازتاب درونی از شیشه به هوا B = arctan 1/1.5 = 33 درجه می‌باشد.
بخاطر وجود پاشندگی محیط­ها، که در آن­ها ضریب شکست وابسته به طول موج نور است، این زاویه تابعی از طول موج میباشد. البته این تغییر طول موجی در ناحیه نور مرئی بسیار کم است.
 
کاربردهای زاویه بروستر
 
1. همان طور که اشاره شد از زاویه بروستر برای ایجاد نور پلاریزه خطی استفاده می­شود به این صورت که در بازتاب نور ناقطبیده از سطوح، نور به صورت جزئی قطبیده شده و در زاویه ی بروستر، نور بازتابیده کاملاً قطبیده می‌گردد. در این حالت امتدادهای باریکه‌ی بازتابیده و باریکه‌ی عبور کرده برهم عمود هستند. نور بازتابیده کاملاً قطبیده‌ی خطی است و امتداد ارتعاش آن بر صفحه­ی فرود عمود می باشد.  
2. همانند زاویه حد جهت یافتن ضریب شکست یک محیط مجهول از زاویه بروستر استفاده می­شود. به این صورت که یک از یک منبع نور پلاریزه خطی استفاده می­شود. اگر زاویه تابش بر محیط با ضریب شکست مجهول برابر زاویه بروستر باشد، بازتاب صفر خواهد بود. زاویه فرود آنقدر تغییر داده می­شود که بازتابی از خود نشان ندهد، یعنی در زاویه بروستر تنظیم شده است. با اندازه گیری این زاویه ضریب شکست محیط مجهول توسط رابطه  n = tan B بدست می‌آید که B همان زاویه بروستر اندازه­گیری شده است.
3 .در موجبر نوری از این زاویه استفاده می‌شود و سیستم موج تابشی تحت زاویه بروستر را هدایت می‌کند. در این موجبرها می‌توان اتلاف نور را بسیار کم کرد، این وسیله در مخابرات اپتیکی (با نور لیزر) ، داده پردازی و سایر کاربردها حائز اهمیت است..
4. در کالیبراسیون دستگاه­های اندازه­گیری نوری و تنظیم و کنترل سیستم­های اتوماتیک نوری و برخی اجاق­های خورشیدی و بخصوص سویچ زنی بروستر (که در آن نقش قطبشگر را دارد) و در ساختمان اکثر دستگاه­های نوری و موجی دیگر بکار می‌رود.
 
Top

Shahid Beheshti University,دانشگاه شهید بهشتی

دانشگاه شهید بهشتی

Shahid Beheshti University,دانشگاه شهید بهشتی

دانشگاه شهید بهشتی