Отражатели, виды, принцип работы, применение

Что такое отражатель?

"Отражатели - это устройства, которые могут отражать свет (не обязательно в видимой области спектра) или другое излучение..."

Полезные статьи:

Что такое зеркало, виды зеркал, свойства

Что такое фотокамера? Принцип работы

Все статьи

Введение

Светоотражатели - это очень общая категория устройств: отражатели могут быть реализованы самыми разными способами и могут иметь самые разные характеристики. Также существуют световозвращатели, которые отражают свет обратно в себя (но, возможно, с некоторым пространственным смещением).

Фактическая функция отражателя часто выполняется близко к его поверхности. Но материал, лежащий в основе,  должен обеспечивать достаточно механической стабильности и возможностей для монтажа. Направление света также может быть изменено путем преломления, например, на поверхности призмы. Такие устройства обычно не называются отражателями.

Виды отражателей

Зеркала

Особенно важной категорией отражателей являются зеркала, которые непосредственно отражают свет на одной или нескольких микроскопически плоских поверхностях, которые могут быть плоскими или изогнутыми. Они вызывают зеркальное отражение, когда, например, лазерный луч остается четко определенным лучом при отражении, только с измененным направлением распространения.

Поляризация света часто остается неизменной, особенно при отражении с нормальным падением, но также может быть изменена - но обычно систематическим и воспроизводимым образом.

Дифракционные решетки

Многие дифракционные решетки являются отражающими устройствами и, следовательно, представляют собой особую категорию отражателей. В отличие от простых зеркал, отраженный свет может направляться в нескольких направлениях, соответствующих различным порядкам дифракции.

Отражатели с множественными отражениями

Некоторые отражатели используют многократные отражения, например, на разных зеркалах при разных ориентациях или полное внутреннее отражение на поверхностях призмы. Например, существуют призменные световозвращатели, такие как угловые кубические призмы, которые изменяют направление луча на 180 ° с некоторым параллельным смещением. Другим примером являются отражатели Кассегрена, по существу, комбинации двух зеркал, используемых в некоторых телескопах.

Зеркала Фарадея

Особым типом отражателя является зеркало Фарадея. Это устройство выполнено таким образом, что состояние поляризации отраженного света всегда ортогонально состоянию поляризации входного света – по крайней мере, в хорошем приближении в определенном диапазоне длин волн.

Фотонные кристаллы

Определенные трехмерные фотонные кристаллы могут служить отражателями с довольно специфическими характеристиками – например, в качестве всенаправленных отражателей в определенном диапазоне длин волн.

Диффузные отражатели

Существуют диффузные отражатели, например, на поверхности с микроскопическими неровностями, которые сильно искажают оптические волновые фронты. Таким образом, разрушают или уменьшают пространственную когерентность. Даже если падающий свет представляет собой четко очерченный луч, отраженный свет будет рассеянным, то есть распространяться в широком диапазоне направлений. Поляризация света также часто теряется.

Рассеянные отражатели часто используются в контексте освещения, например, для освещения помещения или для фотосъемки. Их часто размещают рядом с каким-нибудь источником света. Стены комнаты также могут служить рассеянными отражателями.

Некоторые диффузные отражатели служат экранами, например, для просмотра изображений, например, с помощью проектора. Некоторые экраны также могут существенно снижать временную когерентность света.

Волоконно-оптические отражатели

В волоконной оптике могут использоваться различные виды отражателей:

• Для отражения света можно использовать зеркала – например, диэлектрические покрытия, нанесенные непосредственно на концы волокон, или, альтернативно, отдельные зеркала, прикрепленные к концам волокон.
• Волоконные брэгговские решетки также служат отражателями света – обычно с довольно ограниченной полосой отражения.
• Существуют также более сложные устройства, такие как волоконные петлевые зеркала, которые используют эффекты интерференции в волоконных соединителях.

Принцип работы

Принцип работы отражателей основан на отражении света или других волн, таких как звук. Вот основные аспекты, которые объясняют, как это работает:

1. Отражение света: Когда световые лучи падают на поверхность отражателя, они изменяют направление в зависимости от угла падения. Это явление описывается законом отражения, который гласит, что угол падения равен углу отражения.

2. Материалы: Отражатели обычно изготавливаются из гладких и блестящих материалов, таких как металл или специальное стекло. Эти материалы обеспечивают высокую степень отражения, минимизируя поглощение света.

3. Форма: Форма отражателя (плоская, вогнутая или выпуклая) определяет, как свет будет направлен. Например:

   • Плоские отражатели: Отражают свет в том же направлении, в котором он пришел.
   • Вогнутые отражатели: Фокусируют световые лучи в одной точке, что полезно для создания яркого источника света.
   • Выпуклые отражатели: Распространяют световые лучи, что может быть полезно для создания более широкого освещения.

4. Применение в технологиях: В лазерах отражатели помогают направлять и фокусировать лазерные лучи, что критично для их работы. В телескопах зеркала-отражатели фокусируют свет от далеких объектов, позволяя получать четкие изображения.

5. Оптимизация света: В фотографии и кинематографии отражатели используются для управления светом, улучшения освещения и создания нужного настроения в кадре.

Таким образом, отражатели играют важную роль в различных областях, позволяя эффективно управлять светом и другими волнами!

Основные характеристики

Светоотражатели можно охарактеризовать по-разному:

• Во многих случаях важно, какая часть падающего света отражается. Точнее, какая доля падающей оптической мощности или освещенности отражается. Эта величина называется отражательной способностью (или для отдельной поверхности также отражательной способностью). Обычно это может зависеть от направления падения, оптической длины волны и поляризации, а возможно, также от расположения на отражателе. Во многих случаях отражатели работают только в ограниченном диапазоне углов падения и длин волн.
• Оптическое изменение фазы имеет значение для некоторых приложений, и в частности его частотная зависимость, которая связана с групповой задержкой и хроматической дисперсией.
• Для диффузных отражателей может потребоваться знать угловое распределение отраженного света, которое может существенно зависеть от направления входного сигнала, оптической длины волны и поляризации.
• В некоторых случаях отраженный свет имеет некоторое параллельное смещение по отношению к падающему свету. Например, связанное с многократными отражениями в световозвращающем устройстве.
• Равномерность характеристик отражения по всей площади отражателя важна для некоторых применений.
• В контексте лазерного излучения, особенно с интенсивными световыми импульсами, может быть важно знать пороговую интенсивность или поток для повреждения, вызванного лазером.
• Отражатели часто необходимо правильно устанавливать в каком-либо устройстве, и поэтому они могут иметь различные функции для обеспечения удобного и стабильного монтажа.

Коэффициент отражения

Термин коэффициент отражения определяется как отношение отраженного потока излучения (оптической мощности) к падающему потоку на отражающий объект. Например, оптический компонент или систему. Обычно это зависит от направления падающего света и от оптической частоты или длины волны. Для полихроматического света полная отражательная способность может быть рассчитана с заданным оптическим спектром как средневзвешенное значение.

Для отражений на плоских неструктурированных поверхностях вместо коэффициента отражения можно также использовать термин отражательная способность. Однако коэффициент отражения является более общим термином и может быть определен в более широком диапазоне ситуаций:

• Отражения могут возникать на шероховатых поверхностях, где свет рассеивается. Затем можно указать коэффициент отражения в полусфере, который основан на общем отраженном потоке излучения, интегрированном по всем направлениям, или коэффициент направленного отражения.
• Существуют протяженные объекты, в которые может проникать свет, который рассеивается внутри. И таким образом, частично передается и частично отражается. Коэффициент отражения просто определяет количество света, возвращающегося в полупространство входящего света.
• Например, когда свет падает на прозрачную пластину с параллельными поверхностями, отражения Френеля возникают на обеих поверхностях. На отраженную мощность могут влиять эффекты интерференции, в результате чего коэффициент отражения сильно зависит от длины волны.

Результаты измерений отражения, например, с помощью рефлектометров или спектрофотометров, обычно следует называть отражательной способностью, а не отражательной способностью, поскольку отражения не обязательно должны происходить на одной поверхности. Однако частое использование отражательной способности в такой ситуации не создает риска недопонимания.

Для объектов, которые демонстрируют как зеркальное отражение, так и диффузное отражение (через рассеяние), можно отдельно указать значения коэффициента отражения для них: “обычный” коэффициент отражения для зеркальных отражений и полусферический коэффициент отражения для рассеяния.

Световозвращатели

Ретрорефлекторы - это своего рода отражатели (оптические устройства, отражающие свет), в которых отраженный свет распространяется в направлении, параллельном падающему лучу, и это для некоторого диапазона направлений луча. Это сильно отличается от отражений в обычных зеркалах, где луч света отражается обратно в себя только при нормальном падении на зеркальную поверхность; любой наклон зеркала изменит направление отраженного луча. Для некоторых световозвращателей имеется параллельное смещение отраженного луча, но направление всегда совершенно противоположно направлению входящего луча, ограниченное только точностью устройства.

Виды световозвращателей

Угловые отражатели

Например, в форме угловых кубических призм, где отражения происходят на трех взаимно ортогональных зеркальных поверхностях.

Отражатели "кошачий глаз" 

Содержит фокусирующую линзу в сочетании с изогнутым зеркалом. Он также может быть реализован в форме стеклянной сферы с соответствующим показателем преломления. Такой эффект световозвращателя известен по глазам кошек, где часть фокусировки выполняет хрусталик глаза, а некоторое отражение происходит на сетчатке, образуя довольно несовершенный световозвращатель.

Нелинейные световозвращатели

Основанны на стимулированном рассеянии Бриллюэна. Здесь отражение или происходит на брэгговской решетке в нелинейном материале, который связан с входящей и отраженной оптической волной и автоматически имеет правильную ориентацию для точного световозвращения. Кроме того, существует также явление сопряжения фаз и сдвиг вниз оптической частоты отраженного луча. Нелинейное отражение работает только при достаточно высокой интенсивности падающего луча и с ограниченной отражательной способностью.

Отражательная способность световозвращателя обычно существенно ниже, чем у лазерного зеркала с высокой отражающей способностью. Тем не менее, направленность отражения может создать существенно повышенную яркость освещаемого объекта.

В зависимости от типа световозвращателя могут происходить существенные изменения направления поляризации и вращение изображения. Есть “испорченные” световозвращатели, намеренно сделанные так, что направление отраженного луча несколько изменено.

Существуют также разновидности световозвращателей, в которых принцип световозвращения работает только в плоскости; наклоны отражателя в одном направлении все равно приводят к отклонению направления отраженного луча. Это имеет место, например, для призм с двумя вместо трех отражениями.

Применение световозвращателей

Световозвращатели используются там, где важно поддерживать направление отраженного луча без точного сохранения правильной ориентации отражающего устройства. Некоторые примеры:

• Несколько световозвращателей были размещены на Луне, например, во время миссий "Аполлон", и могут использоваться для измерения во время полета расстояния между Землей и Луной. Свойство световозвращателя имеет важное значение для увеличения количества отраженного света, получаемого на большом расстоянии.
• Аналогичным образом, различные спутники оснащены световозвращателями для облегчения лазерного отслеживания местоположения.
• Световозвращатели используются на некоторых дорожных знаках и транспортных средствах, например велосипедах, для улучшения видимости при освещении, например, фарами автомобилей. Здесь точное световозвращение не помогло бы, потому что водитель автомобиля должен видеть дорожный знак или велосипед, а не фары, но некоторая степень направленности несовершенного световозвращателя улучшает видимость.
• Существуют этикетки со штрих-кодом на основе световозвращающих материалов, которые можно сканировать с больших расстояний.
• В интерферометрах и оптических линиях задержки часто используется световозвращатель, чтобы избежать чрезмерно критического выравнивания, которое было бы проблематичным, особенно для движущихся частей.

Применение

Отражатели находят широкое применение в различных областях. Вот некоторые из них:

1. Фотография: Используются для управления светом, смягчения теней и улучшения освещения объектов, особенно в портретной съемке.

2. Кинематография: Помогают создавать нужное освещение и атмосферу в сценах, передавая эмоции и настроения.

3. Лазерные технологии: Направляют лазерные лучи, что критично для медицинских и научных исследований.

4. Астрономия: Зеркала-отражатели в телескопах фокусируют свет от далеких объектов, позволяя получать четкие изображения звезд и планет.

5. Энергетика: В солнечных коллекторах отражатели фокусируют солнечный свет для нагрева воды и производства электроэнергии.

6. Автомобильная промышленность: Используются в фарах для улучшения видимости на дороге, отражая свет от ламп.

7. Дизайн интерьеров: Помогают создавать визуальное пространство и улучшать освещение помещений.

8. Спорт: В некоторых видах спорта, например, в велоспорте, отражатели помогают улучшить видимость спортсменов на дороге.

Каждое из этих применений демонстрирует, как отражатели могут улучшать качество света и визуальные эффекты в различных сферах!