Отражение света – возникновение вторичный световых волн, распространяющихся от границы раздела двух сред «обратно» в первую среду, из которой первоначально падал свет. При этом по крайней мере первая среда должна быть прозрачна для падающего и отражаемого излучений. Несамосветящиеся тела становятся видимыми вследствие отражения света от их поверхностей.

Пространственное распределение интенсивности отражённого света зависит от соотношения между размерами неровностей h поверхности (границы раздела) и длиной волны λ падающего излучения. Если h<<λ, то отражение света направленное, или зеркальное. Когда размеры неровностей h≈λ или превышают её (шероховатые, матовые поверхности) и расположение неровностей стохастическое, отражение света диффузионное. Возможно также смешанное отражение света, при котором часть падающего излучения отражается зеркально, а часть диффузно. Если же неровности с размерами ≥λ расположены каким-либо регулярным образом, то распределение отражённого света имеет особый характер, близкий к наблюдаемому при отражении света от дифракционной решётки.
Зеркальное отражение света характеризуется связью положений падающего и отражённого лучей:
- отражённый, преломлённый и падающий лучи и нормаль к плоскости падения компланарны;
- угол падения равен углу отражения.

Совместно с законом прямолинейного распространения света эти законы составляют основу геометрической оптики. Для понимания физических особенностей, возникающих при отражении света, таких, как изменение амплитуды, фазы, поляризации света, используется электромагнитная теория света, в основе которой лежат уравнения Максвелла. Они устанавливают связь параметров отражённого света с оптическими характеристиками вещества – оптическими постоянными п и κ, составляющими комплексного показателя преломления , где n – отношение скорости в вакууме к фазовой скорости волны в веществе, κ – главный безразмерный показатель поглощения. Параметры отражённого света могут быть получены из уравнения волны, которое удовлетворяет решению уравнений Максвелла:

где Е₀ – начальная амплитуда волны, распространяющейся в поглощающей среде, ω – круговая частота, λ – длина волны, z – направление распространения волны, t – время.

Диффузное отражение света представляет собой рассеивание света во всевозможных направлениях телом, которое имеет шероховатую поверхность либо обладает внутренней неоднородной структурой, ведущей к рассеянию света в его объёме. Отражение света от шероховатой поверхности, представляющей собой совокупность различным образом ориентированных площадок с размерами ≥λ, сводится к отражению света этими площадками в соответствии с формулами Френеля; угловое распределение яркости и поляризации диффузно отражённого света целиком определяется характером стохастического распределения площадок по ориентациям.
Если отражение света обусловлено рассеянием на неоднородностях внутренней структуры самого тела (порошки, эмульсии, облака и т. п.), то явление носит объёмный характер и его закономерности определяются эффектами многократного рассеяния света, проникшего в тело. В этом случае даже слабое поглощение внутри тела приводит к резкому ослаблению многократно рассеянного света и уменьшению отражательной способности. Для очень тонких или сильно поглощающих сред существенно только однократное рассеяние, вследствие чего отражательная способность пропорциональна β/γ (β и γ – объёмные коэффициенты рассеяния и поглощения). Т.к. β и γ зависят от степени дисперсности рассеивающего вещества, то и отражательная способность зависит от дисперсности: увеличивается по мере измельчения рассеивающих частиц. Поляризация отражённого света также зависит от величины β/γ. Угловое распределение отражённого света определяется видом матрицы рассеяния и меняется с изменением β/γ и оптической толщины слоя.
Для поверхностей, равномерно рассеивающих свет, часто пользуются (например, при светотехничеких расчётах) Ламберта законом, согласно которому яркость диффузно отражающего тела пропорциональна его освещённости и не зависит от направления, в котором она рассматривается. Однако закон этот выполняется очень приближённо, лишь для тел с высокой отражательной способностью и под углами наблюдения <60°.
При больших мощностях световых (лазерных) полой (10⁸–10¹⁰ Вт/см²) обнаруживается нелинейность среды, которая может сказаться на отражении света. Так, например, при отражении от нелинейной среды (монокристалл GaAs) может возникать 2-я гармоника, если среда прозрачна для основной частоты, но поглощает гармонику. При падении на нелинейную среду двух волн с частотами ω₁ и ω₂ возникает отражённая волна на суммарной частоте ω₃=ω₁+ω₂ (кроме обычных отражённых волн ω₁ и ω₂). Интенсивность гармоники в отражённом свете имеет заметную величину при соблюдении фазового синхронизма. Необходимые условия синхронизма могут осуществляться разными способами. Например, при отражении от кристалла подбирают условия (выбором ориентации осей), когда основная волна – обыкновенная, а 2-я гармоника – необыкновенная; тогда в некотором направлении скорость гармоники необыкновенной волны равна скорости основной обыкновенной. Благоприятные условия для синхронизма получаются при полном внутреннем отражении, когда направление согласования фаз в кристалле лежит в отражающей плоскости, а угол падения соответствует φ_кр для 2-й гармоники. При отражении мощной падающей волны наблюдается ряд параметрических эффектов, связанных с оптическим Керра эффектом, с электрострикцией, с локальными нагревами и т.п. и приводящих к отступлению от формул Френеля ( Нелинейная оптика).
Все несветящиеся предметы видны благодаря диффузному отражению света. Если поверхность отражает зеркально, то видна не сама граница раздела, а изображения предметов, полученные при отражении от этой поверхности. Отражение света может оказывать и вредное воздействие, приводя, например, к появлению «бликов», уменьшению яркости и контрастности изображения. В этих случаях стараются уменьшить отражение света, нанося на поверхность оптических деталей специальные тонкие слои (Просветление оптики).
Отражение света широко используется для определения оптических характеристик вещества, выяснения его структуры, свойств, особенно в тех случаях, когда исследования на пропускание трудны или невозможны; в спектральном анализе, например в методе нарушенного полного внутреннего отражения, который даёт информацию о структуре поверхностных слоев, что важно для теории адсорбции, поверхностных и граничных явлений, катализа и т.п.

Явление полного отражения используется в призмах полного отражения. Показатель преломления стекла равен п_т 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло–воздух равен . В связи с этим при падении света на границу стекло–воздух при i>42° всегда будет иметь место полное отражение.

На рисунке 1 показаны призмы полного отражения, позволяющие: а – повернуть луч на 90°; б – повернуть изображение; в – обернуть лучи. Такие призмы применяются в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (по закону преломления, измеряя i_пр, находим относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления другой среды известен).
Явление полного отражения используется также в световодах (светопроводах), представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала. В волоконных деталях применяют стеклянное волокно, световедущая жила (сердцевина) которого окружается стеклом – оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Свет, падающий на торец световода под углами, большими предельного, претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение и распространяется только по световедущей жиле (рисунок 2).

Таким образом, с помощью световодов можно как угодно искривлять путь светового пучка. Диаметр световедущих жил лежит в пределах от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Для передачи изображений, как правило, применяются многожильные световоды. Вопросы передачи световых волн и изображений изучаются в специальном разделе оптики – волоконной оптике, возникшей в 50-е годы XX столетия. Световоды используются в электронно-лучевых трубках, электронно-счетных машинах, для кодирования информации, в медицине (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики и т.д.

 

Из опыта хорошо известно, что луч света, падающий на границу раздела двух различных оптических сред, разделяется на два луча: отраженный и преломленный (рисунок 1). Характеристики отраженного и преломленного лучей, такие как направления распространения, мощность, поляризация, зависят как от состава обеих сред, так и от параметров исходного светового пучка – его направления, частоты, поляризации и мощности. Эти свойства отражения и преломления находят широкое применение в устройствах управления светом – линзах, призмах, зеркалах – которые позволяют фокусировать свет и формировать оптические изображения, осуществлять спектральное разложение света, получать полностью поляризованный свет и т. п. Явление отражения света используется в лазерных резонаторах и интерферометрах. Полное внутреннее отражение позволяет передавать свет на большие расстояния по оптическому волокну. Перечень подобных примеров можно было бы продолжить.
Следует иметь в виду еще одно обстоятельство. Поскольку световая волна обладает импульсом, изменение направления пучка, имеющее место при отражении и преломлении, приводит к появлению сил, действующих со стороны света на материальные тела. Обычно эти силы малы, однако существуют явления, в которых они играют заметную роль, например, оптическая левитация прозрачных частиц в сфокусированном лазерном пучке.
Механизм отражения и преломления. Оптические явления, возникающие на границе раздела – отражение и преломление света – можно рассматривать как эффекты, связанные с неоднородностью среды. Чтобы убедиться в этом, вспомним сначала причины прямолинейного распространения света в однородной среде.

Как известно из френелевской теории дифракции, прямолинейное распространение света в вакууме связано с взаимным интерференционным гашением вторичных сферических световых волн, идущих от разных точек пространства. Такое гашение имеет место для всех направлений, кроме прямого, что и обусловливает прямолинейность светового луча. Аналогичным образом в однородной среде сферические световые волны, испускаемые отдельными атомами, интерферируют так, что световой луч также оказывается прямолинейным.

Механизм подавления бокового свечения и расплывания светового пучка поясняет рисунок 2. Пусть А есть некоторый атом среды, расположенный в пределах светового пучка. Под действием падающей световой волны оптический электрон атома начинает совершать вынужденные колебания, в результате чего атом становится источником вторичной сферической световой волны. Рассмотрим излучение атома, идущее под углом θ к оси светового пучка. Как видно из рисунка, для любого угла θ, кроме θ=0, найдется такой атом В, который в том же самом направлении спускает волну, находящуюся в противофазе к волне первого атома. В самом деле, если, например, падающее излучение имеет структуру плоской волны, то атом В находится в том же самом поперечном сечении пучка на расстояние d от атома А, определяемом условием , где λ – длина световой волны. Таким образом, атомы А и В взаимно гасят излучение друг друга в направлении θ. Поскольку аналогичную пару атомов можно подобрать для любого угла θ≠0, приходим к выводу, что свет распространяется прямолинейно.
Нетрудно видеть, что в приведенном рассуждении существенна идентичность всех атомов, т.е. однородность среды. Вместе с тем можно ожидать, что в неоднородной среде луч света не будет прямолинейным. Действительно, опыт показывает, что для неоднородных сред характерно сильное рассеяние света. Именно по этой причине, например, задымленный воздух и туман выглядят «мутными». С этой точки зрения кажется естественным, что на границе раздела сред нарушается прямолинейность распространения света и возникают отраженный и преломленный лучи.

где v – скорость волны.

В момент, когда волна достигнет точки B и в этой точке начнется возбуждение колебаний, вторичная волна с центром в точке А уже будет представлять собой полусферу радиусом r=АD=u∆t=СВ. Радиусы вторичных волн от источников, расположенных между точками А и В, меняются так, как показано на рисунке 1. Огибающей вторичных волн является плоскость DН, касательная к сферическим поверхностям. Она представляет собой волновую поверхность отраженной волны. Отраженные лучи АА₂ и BB₂ перпендикулярны волновой поверхности DB. Угол γ между перпендикуляром к отражающей поверхности и отраженным лучом называют углом отражения.

Так как АD=СВ и треугольники ADB и АСВ прямоугольные, то ∟DBA=∟CAB. Но a=∟CAB и γ=∟DBA как углы с перпендикулярными сторонами. Следовательно, угол отражения равен углу падения: a=γ.

Кроме того, как вытекает из построения Гюйгенса, падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Эти два утверждения представляют собой закон отражения света.
Если обратить направление распространения световых лучей, то отраженный луч станет падающим, а падающий – отраженным. Обратимость хода световых лучей – их важное свойство.

2. Выпуклые зеркала: свет падает извне на поверхность сферы. В этом случае после отражения от зеркала всегда получается расходящийся пучок лучей (рисунок 1, б), а изображение, образующееся за зеркалом, всегда мнимое. Положение изображений можно определить, пользуясь той же формулой, взяв в ней фокусное расстояние со знаком «минус».
На рисунке 2, а показано вогнутое зеркало. Слева в виде вертикальной стрелки изображен объект высотой h. Радиус сферического зеркала равен R, а фокусное расстояние f=R/2. В этом примере расстояние s от зеркала до объекта больше R. Изображение можно построить графически, если из бесконечно большого числа световых лучей рассмотреть три, исходящие из вершины объекта. Луч, параллельный главной оптической оси, после отражения от зеркала пройдет через фокус. Второй луч, попадающий в центр зеркала, отразится таким образом, что падающий и отраженный лучи образуют одинаковые углы с главной осью. Пересечение этих отраженных лучей даст изображение верхней точки объекта, а полное изображение объекта можно получить, если из этой точки опустить перпендикуляр h´ на главную оптическую ось. Для проверки можно проследить за ходом третьего луча, идущего через центр кривизны зеркала и отражающегося от него обратно по тому же самому пути. Как видно из рисунка, он тоже пройдет через точку пересечения первых двух отраженных лучей. Изображение в этом случае будет действительным (оно формируется настоящими световыми пучками), перевернутым и уменьшенным.
То же самое зеркало представлено на рисунке 2, б, но расстояние до объекта меньше фокусного. В этом случае после отражения лучи образуют расходящийся пучок, а их продолжения пересекаются в точке, которую можно рассматривать как источник, из которого выходит весь пучок. Изображение будет мнимым, увеличенным и прямым. Случаю, представленному на рисунке 2, б, соответствует вогнутое зеркало для бритья, если объект (лицо) располагается в пределах фокусного расстояния.