Warto przeczytać

Światło laserowe rozchodzi się w ośrodku jednorodnym prostoliniowo. W momencie, gdy napotyka na granicę z innym ośrodkiem, może ulec pochłonięciu, odbiciuodbicieodbiciu, załamaniuzałamanie światłazałamaniu lub rozproszeniurozproszenie światłarozproszeniu. Przyjrzyjmy się dokładniej temu, od czego to zależy i jak wygląda.

Odbicie światła

Padając na gładką powierzchnię metaliczną światło lasera odbija się od niej zgodnie z prawem odbicia (kąt odbicia jest równy kątowi padania). Na Rys. 1. możemy zauważyć, że równoległe wiązki światła laserowego padając na zwierciadło płaskie i odbijając się od niego zachowały równoległość.

R6Q5hCCK9u3pt

Ilustracja przedstawia, jak działa prawo odbicia światła w praktyce. Z prawego dolnego rogu wydostają się trzy czerwone równoległe promienie laserowe, które padają na powierzchnię płaską pod pewnym kątem, tę powierzchnię stanowi kawałek blaszki. Równoległe wiązki światła zachowują równoległość również po odbiciu od blaszki. Odbijają się pod takim samym kątem, jak kąt padania i biegną po odbiciu dokładnie tak samo równolegle jak przed nim.

W momencie, gdy powierzchnia odbijająca jest chropowata, światło ulega rozproszeniu. Widać to doskonale na Rys. 2., gdy promienie światła laserowego padają na chropowatą ścianę. Nie widzimy wówczas, jak w poprzednim przykładzie, równoległych wiązek odbitych. Rozproszone promienie powodują, że blat, na którym znajduje się układ, wydaje się czerwony.

RIU3Ii3mVFPbE

Ilustracja demonstruje, jak światło lasera padając na powierzchnię chropowatą ulega rozproszeniu. Brak tym razem wyraźnych linii lasera, całe zdjęcie stanowi właściwie czerwony prostokąt, lekko pocieniowany z rozmytymi trzema równoległymi wiązkami lasera w prawym górnym rogu.

Załamanie światła

Jeśli światło laserowe pada na granicę dwóch przezroczystych dla niego ośrodków, może ulec zarówno odbiciu, jak i załamaniu. To, jak będzie wyglądała jego droga, zależy od kąta padania oraz współczynników załamania obu ośrodków.

Światło padając z ośrodka o większym współczynniku załamania do ośrodka o mniejszym współczynniku załamania pod kątem większym od tak zwanego kąta granicznego ulega wyłącznie zjawisku odbicia. Przedstawione to zostało na Rys. 3.

RvKaLhAVIfdhZ

Rysunek pokazuje, co dzieje się, gdy światło laserowe pada na granicę dwóch przezroczystych ośrodków takich, że współczynnik załamania ośrodka pierwszego jest większy od współczynnika załamania ośrodka drugiego. Ilustracja jest podzielona w pionie na pół czarną linią przerywaną, którą stanowi oś normalna, do tej osi oznacza się wszystkie kąty w optyce. Oś ta przecina dwa wspomniane ośrodki, od góry ośrodek o większym współczynniku załamania podkreślony kolorem niebieskim. Poniżej niego ośrodek o mniejszym współczynniku załamania oznaczony kolorem jasnofioletowym. Z lewego górnego rogu pada wiązka światła laserowego pod kątem alfa do powierzchni jasnofioletowej. Odbija się pod tym samym kątem zgodnie z prawem odbicia światła. Dodatkowo oznaczono tak zwany kąt graniczny alfa z indeksem dolnym gr, nieco mniejszy od alfa. Kiedy światło pada pod kątem większym od kąta granicznego ulega wyłącznie zjawisku odbicia. Jest to zjawisko zwane całkowitym wewnętrznym odbiciem.

Jeśli kąt padania światła będzie mniejszy niż kąt graniczny, światło ulegnie równocześnie zjawisku odbicia i załamania zgodnie z prawem załamania (Rys. 4.):

R13FBGxBb6hmb

Rysunek pokazuje, co dzieje się, gdy światło laserowe pada na granicę dwóch przezroczystych ośrodków takich, że współczynnik załamania ośrodka pierwszego jest większy od współczynnika załamania ośrodka drugiego. Ilustracja jest podzielona w pionie na pół czarną linią przerywaną, którą stanowi oś normalna, do tej osi oznacza się wszystkie kąty w optyce. Oś ta przecina dwa wspomniane ośrodki, od góry ośrodek o większym współczynniku załamania podkreślony kolorem niebieskim. Poniżej niego ośrodek o mniejszym współczynniku załamania oznaczony kolorem jasnofioletowym. Z lewego górnego rogu pada wiązka światła laserowego pod kątem alfa do powierzchni jasnofioletowej. Odbija się pod tym samym kątem zgodnie z prawem odbicia światła. Dodatkowo oznaczono tak zwany kąt graniczny alfa z indeksem dolnym gr, nieco większy od alfa. Tym razem światło laserowe pada na granicę dwóch przezroczystych ośrodków pod kątem mniejszym od kąta granicznego, więc ulega zarówno zjawisku odbicia, jak i załamania.

Jeśli kąt padania jest równy kątowi granicznemu, promień załamany „ślizga” się po granicy dwóch ośrodków (Rys. 5.).

R1WRYgO3Fp0TN

Rysunek pokazuje, co dzieje się, gdy światło laserowe pada na granicę dwóch przezroczystych ośrodków takich, że współczynnik załamania ośrodka pierwszego jest większy od współczynnika załamania ośrodka drugiego. Ilustracja jest podzielona w pionie na pół czarną linią przerywaną, którą stanowi oś normalna, do tej osi oznacza się wszystkie kąty w optyce. Oś ta przecina dwa wspomniane ośrodki, od góry ośrodek o większym współczynniku załamania podkreślony kolorem niebieskim. Poniżej niego ośrodek o mniejszym współczynniku załamania oznaczony kolorem jasnofioletowym. Z lewego górnego rogu pada wiązka światła laserowego pod kątem granicznym alfa z indeksem dolnym gr do powierzchni jasnofioletowej. Odbija się pod tym samym kątem zgodnie z prawem odbicia światła. Tym razem promień załamany nie przenika do drugiego ośrodka, lecz "ślizga" się wzdłuż granicy obu ośrodków.

Jeśli kąt padania wynosi 0Indeks górny 0⁰, to światło przechodzi do drugiego ośrodka bez zmiany kierunku rozchodzenia się (Rys. 6.).

Ru3Lx2D9hzbSr

Rysunek pokazuje, co dzieje się, gdy światło laserowe pada na granicę dwóch przezroczystych ośrodków takich, że współczynnik załamania ośrodka pierwszego jest większy od współczynnika załamania ośrodka drugiego. Ilustracja jest podzielona w pionie na pół czarną linią przerywaną, którą stanowi oś normalna, do tej osi oznacza się wszystkie kąty w optyce. Oś ta przecina dwa wspomniane ośrodki, od góry ośrodek o większym współczynniku załamania podkreślony kolorem niebieskim. Poniżej niego ośrodek o mniejszym współczynniku załamania oznaczony kolorem jasnofioletowym. Tym razem światło laserowe pada dokładnie prostopadle do powierzchni jasnofioletowej. Wiązka lasera biegnie wzdłuż osi normalnej. Rysunek dowodzi, że jeśli kąt padania światła wynosi zero stopni, to światło przechodzi do drugiego ośrodka bez zmiany kierunku rozchodzenia się.

Rozproszenie światła w niejednorodnym ośrodku

Warto zastanowić się jeszcze nad tym, jak wygląda sytuacja, gdy mamy do czynienia z ośrodkiem niejednorodnym, np. koloidem lub zawiesiną. Dochodzi wtedy do rozproszenia światłarozproszenie światłarozproszenia światła na tych niejednorodnościach. Najbardziej znanym skutkiem rozproszenia światła w powietrzu jest obserwowany kolor nieba. Przeczytaj o tym w e‑materiale Jak powstają kolory nieba?.

Zarówno w powietrzu jak i w cieczy możemy zaobserwować tak zwany efekt Tyndallaefekt Tyndallaefekt Tyndalla, także polegający na rozproszeniu światła na cząsteczkach ośrodka. Wytwarza się wówczas charakterystyczny stożek światła (Rys. 7.). Zjawisko to można zobaczyć na cząsteczkach pary wodnej, dymu czy zanieczyszczeń znajdujących się w powietrzu. Więcej na jego temat dowiesz się z materiału Na czym polega zjawisko Tyndalla?.

RimFfKyiB5zCK

Ilustracja demonstruje, jak światło przechodząc przez roztwór koloidalny, ulega rozproszeniu na cząsteczkach, czego skutkiem jest rozszerzenie wiązki i powstanie tzw. stożka Tyndalla. Na zdjęciu widoczna jest ciecz w zlewce widziana z boku. Przez szklaną ściankę zlewki do cieczy wpada wiązka lasera czerwonego. W rezultacie wewnątrz cieczy widoczny jest jasny czerwony klin. Światło ulega stopniowemu rozproszeniu wewnątrz cieczy.

Słowniczek