Почему зеркало разделяет мой лазерный луч?

Прошлой ночью моя дочь спрашивала, почему зеркало «всегда так делает» (имея в виду отражение пятна света). Чтобы помочь ей понять это, я схватил свою зеленую лазерную указку, чтобы она могла видеть свет, идущий от источника и отражающийся от зеркала.

Но пока мы играли, я заметил нечто странное .

Вместо одного места их было несколько . Когда я отрегулировал угол до чего-то довольно тупого

лазер, отражающийся от зеркала под тупым углом

Эффект стал довольно заметным

Несколько точек от отраженного лазерного луча.

А если приглядеться, то действительно можно было увидеть несколько лучей устранение пересечения лучей

(Конечно, лучи на самом деле выглядели как лучи в реальной жизни. На изображении лучи имеют вытянутую форму песочных часов, потому что эти части не в фокусе.)

Я сделал следующие наблюдения:

  • Чем меньше угол, тем больше разброс разделенных лучей и образующихся точек.
  • Направленность отражения обусловлена ​​ориентацией зеркала, а не самой лазерной указки. Действительно, при вращении зеркала на 360° цепочка точек также совершит полный оборот.
  • Я могу насчитать как минимум 8 отдельных точек на стене, но невооруженным глазом увидел только 6 лучей.
  • Если вы посмотрите на изображение расщепленного луча, вы увидите вертикальную линию над наиболее интенсивными точками. Никаких интенсивных световых пятен я там не наблюдал.

И когда я внимательно посмотрел на то место, где луч попал в зеркало

лучи меня дважды, позор тебе

вы можете увидеть двойное изображение. Это произошло не из-за сотрясения камеры, а из-за отражения света от пыли на поверхности стекла и отражения этого света от задней поверхности зеркала.

Прошло несколько лет с тех пор, как я учился в колледже по физике, и я вспомнил, как проводил эксперименты вроде двойного сплита. Я также вспомнил, что свет, кажется, делает какие-то странные вещи, когда входит в жидкость/призмы. Я также знаю, что зеленый лазер имеет определенную длину волны, и вы можете измерить скорость света с помощью плитки шоколада и микроволновой печи .

Почему зеркало разделяет лазерный луч? Как это объясняет эффекты, которые я видел? Есть ли какое-либо отношение к эксперименту с двойным расщеплением или к длине волны/скорости света?

По моему опыту, если очень внимательно посмотреть на свое отражение почти в любом зеркале, можно понять, что есть по крайней мере два отражения, очень близких друг к другу. Дело в том, что это не просто лазеры.
Поздравляем с золотым значком! И продолжайте заниматься наукой со своими дочерьми.

Ответы (2)

Вы получаете отражения от передней (стеклянной поверхности) и задней (зеркальной) поверхности, включая (множественные) внутренние отражения:

введите описание изображения здесь

На этой диаграмме должно быть очевидно, что пятна будут отдаляться друг от друга по мере того, как вы приближаетесь к более скользкому углу падения. В зависимости от поляризации лазерной указки существует угол (угол Брюстера), при котором можно полностью исчезнуть отражение передней (стеклянной) поверхности. Это требует некоторых экспериментов.

Точные детали интенсивности в зависимости от угла падения описываются уравнениями Френеля . Из этой статьи в Википедии приведена диаграмма, показывающая, как интенсивность (переднего) отражения изменяется в зависимости от угла падения и поляризации:

введите описание изображения здесь

Этот эффект не зависит от длины волны (за исключением того, что показатель преломления является слабой функцией длины волны ... Таким образом, разные цвета света будут иметь немного другой угол Брюстера); единственный способ, которым лазерный свет отличается от «обычного» света в этом случае, - это тот факт, что лазерный свет обычно линейно поляризован, так что коэффициент отражения для определенного угла можно изменить, просто вращая лазерную указку.

Как отметил Райнер П. в комментарии, если есть коэффициент отражения с на лицевой стороне, затем ( 1 − с ) интенсивности делает это в спину; и если коэффициент отражения внутри границы раздела стекло/воздух равен р , то последовательные отраженные лучи будут иметь геометрически убывающие интенсивности:

с , ( 1 − с ) ( 1 − р ) , ( 1 − с ) ( 1 − р ) р , ( 1 − с ) ( 1 − р ) р 2 , ( 1 − с ) ( 1 − р ) р 3 , . . .

Конечно, теорема взаимности говорит нам, что когда мы меняем направление луча, мы получаем ту же отражательную способность, поэтому р знак равно с . Это означает, что вышеизложенное можно упростить; но я оставил его в таком виде, чтобы лучше показать, каким взаимодействиям подвергаются лучи. Вышеупомянутое также предполагает идеальное отражение на посеребренной (обратной) поверхности: должно быть легко увидеть, как вы можете добавить этот термин...

Добавлю по поводу мощности лучей: учитывая коэффициент отражения с для передней плоскости и 100% отражения на задней мощность с для первого луча, ( 1 − с ) 2 для второго и ( 1 − с ) 2 ⋅ с , ( 1 − с ) 2 ⋅ с 2 , ( 1 − с ) 2 ⋅ с 3 и т.д. для любого другого. Если с знак равно 0,1 , например, силы становятся [ 0,1 , 0,81 , 0,081 , 0,0081 , . . . ] . Это хорошо видно на третьем изображении и объясняет интенсивность лучей.
На вашей зигзагообразной диаграмме отсутствует преломление на поверхности воздух-стекло. Собственно, если бы стекло было таким же н как воздух, не должно быть даже частичного отражения, IIRC
@HagenvonEitzen - спасибо, что указали на это. Я в спешке нарисовал исходную диаграмму, не ожидая, что этот ответ наберет столько просмотров... Я обновил ее, чтобы она была более точной.

Вы видите ореолы во втором поверхностном зеркале; в большинстве лазерных приложений с зеркалом(ами) - хороших или критических - используется так называемое первое поверхностное зеркало. Другие ответы уже довольно хорошо объяснили это, но я хотел добавить некоторую терминологию и фотографию, чтобы помочь объяснить.

Пример второго поверхностного зеркала (слева) и первого поверхностного зеркала (справа). На обоих снимках ручка касается поверхности зеркала. На левом изображении видны «призраки» (слабое отражение от первого слоя).Пример второго поверхностного зеркала (слева) и первого поверхностного зеркала (справа). На обоих снимках ручка касается поверхности зеркала. На левом изображении видны «призраки» (слабое отражение от первого слоя).

Изображение и подпись из Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/First_surface_mirror

Я предполагаю, что зеркала с первой поверхностью более подвержены царапинам и т. д. верно?
@WayneWerner да, царапины - большая проблема, как и потускнение (химическая атака), поэтому зеркала с первой поверхностью часто покрываются золотом. См. также этот ответ для некоторых последствий.
Проголосовать за это, поскольку, вероятно, его легче объяснить ребенку.
@WayneWerner Это так, но в то же время эти дорогие зеркала, используемые в исследованиях и промышленности, ну, ну, дорогие. Как и все дорогостоящее оборудование, их среда строго контролируется. Это не зеркала в моей прихожей, которые моя малышка может разбить, убегая от сестры...
@WayneWerner Вы можете получить небольшие зеркала первой поверхности из старых планшетных сканеров или лазерных принтеров.
Я использую первое зеркало для проецирования изображений в планетарии. По тем же причинам (несколько изображений) вы не можете использовать зеркало с покрытием. Они имеют конечный срок службы из-за окисления поверхности. К ним нельзя прикасаться и даже дышать.
Разве вы не можете использовать блестящий кусок металла в качестве зеркала первой поверхности? Конечно, это не будет идеально, но это может быть дешевле.
Призрачное изображение действительно полезно. Хорошая находка!
Почему зеркало разделяет мой лазерный луч?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 6v