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 خطیTE 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.