Brewster açısı

Brewster açısı (ayrıca polarizasyon açısı olarak da bilinir), belirli bir polarizasyona sahip ışığın transparan bir dielektrik yüzeyden mükemmel şekilde geçip hiç yansımadığı geliş açısıdır. Bu açıda "polarize olmamış" bir ışık gelirse, yüzeyden yansıyan bu ışık dolayısıyla mükemmel polarizedir. Bu özel geliş açısına İskoç fizikçi Sir David Brewster'dan sonra (1781-1868) kendisinin ismi verilmiştir.

Brewster açısıyla bir yüzey üzerine gelen ışığın polarizasyonu.

Açıklama

Işık kırıcılık indisi farklı iki ortam arasında bir sınırla karşılaştığı zaman, bir kısmı figürde gösterildiği gibi genellikle yansır. Yansıyan ışığın oranı Fresnel denklemleri ile açıklanır ve gelen ışığın polarizasyonuna ve geliş açısına bağlıdır.

Fresnel denklemleri "p" polarizasyonuna sahip (elektrik alan gelen ışın ve yüzey normali ile aynı düzlem üzerinde polarize olduğunda) ışıkların eğer geliş açıları şu şekilde ise yansımayacaklarını öngörür

$\theta _{\mathrm {B} }=\arctan \left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right),$

n₁ ve n₂ iki ortamın kırıcılık indisi. Bu denklem Brewster yasası olarak bilinir ve bu yasayla tanımlanan açı Brewster açısıdır.

Bu duruma ait fiziksel mekanizma "p"-polarize ışığa tepki veren ortam içindeki elektrik dipollerin hareket tarzıyla niteliksel olarak anlaşılabilir. Yüzeye gelen ışığın soğurulduktan sonra iki ortam arasındaki arayüzeyde titreşen elektrik dipoller tarafından tekrar yayılması olarak hayal edilebilir. Serbestçe yayılan ışığın polarizasyonu her zaman hareket yönüne diktir. İletilen (kırılan) ışığı üreten dipoller ışığın polarize olduğu yönde titreşirler. Bu aynı titreşen dipoller ayrıca yansıyan ışığı da oluşturur. Ancak, dipoller dipol momenti yönünde enerji yaymazlar. Sonuç olarak, eğer kırılan ışık ışığın aynadan yansıdıktan sonra gitmesi gereken yöne dik ise, dipoller hiç yansıyan ışık yaratamazlar.

Temel geometri ile, bu durum şu şekilde gösterilebilir:

$\theta _{1}+\theta _{2}=90^{\circ },$

θ₁ geliş açısı ve θ₂ kırılma açısı.

Snell yasasını kullanarak,

$n_{1}\sin \left(\theta _{1}\right)=n_{2}\sin \left(\theta _{2}\right),$

hiçbir ışığın yansımadığı geliş açısı θ₁ = θ_B hesaplanabilir:

$n_{1}\sin \left(\theta _{\mathrm {B} }\right)=n_{2}\sin \left(90^{\circ }-\theta _{\mathrm {B} }\right)=n_{2}\cos \left(\theta _{\mathrm {B} }\right).$

θ_B için çözüm yapılırsa:

$\theta _{\mathrm {B} }=\arctan \left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right),$

Hava (n₁ ≈ 1) içerisindeki cam (n₂ ≈ 1.5) ortamında, görünen ışık için Brewster açısı yaklaşık olarak 56° iken, hava-su arayüzeyinde (n₂ ≈ 1.33), yaklaşık olarak 53°'dir. Verilen ortamın kırıcılık indisi ışığın dalgaboyuna göre değiştiğinden, Brewster açısı da dalgaboyu ile değişir.

Işığın belirli bir yüzeyden belirli bir açıyla yansıdıktan sonra polarize olma durumu ilk kez 1808'de Etienne-Louis Malus tarafından gözlemlenmiştir. Kendisi, polarizasyon açısı ile materyalin kırıcılık indisi arasında bir bağıntı geliştirmeye çalışmıştır, ancak o zamanlar bulunan camların değişken niteliklerinden dolayı ümitleri suya düşmüştür. 1815'te, Brewster yüksek-kaliteli materyallerle deney yaptı ve, Brewster yasasını tanımlayarak, bu açının kırıcılık indisinin bir fonksiyonu olduğunu gösterdi.

Brewster açısı çoğunlukla "polarizasyon açısı" olarak anılır; çünkü, bir yüzeyden bu açıda yansıyan bir ışık tamamen geliş düzlemine ("s-polarize") tamamen dik şekilde polarize olur. Bir cam yüzey ya da yüzeyler yığını ışık demetine Brewster's açısında yerleştirilirse, böylelikle, polarizör olarak kullanılabilir. Polarizasyon açısı kavramı iki lineer bianizotropik yüzeyler arasındaki düzlemsel arayüzleri ele almak amacıyla Brewster dalga numarası kavramına genişletilebilir.

Uygulamalar

Polarize güneş gözlükleri su veya yol gibi güneşi yansıtan yatay yüzeylerden parıltıyı azaltmak için Brewster açısı prensibini kullanır. Brewster açısı etrafındaki geniş bir açı aralığında, "p"-polarize ışığın yansıması "s"polarize ışıktan daha azdır. Böylece, eğer güneş gükyüzünde alçalmışsa yansıyan ışık çoğunlukla "s"-polarizedir. Polarize güneş gözlükleri yatay-polarize ışığı, tercihen yatay yüzeylerden gelen yansımaları engellemek için polaroid film gibi polarize materyaller kullanırlar. Düzgün yüzeylerdeki etki en yüksek olmasına rağmen yol ve yeryüzünden gelen yansımalar da ayrıca azaltılabilir.

Fotoğrafçılar da yüzeyin altındaki objeleri çekebilmek amacıyla sudan gelen yansımayı aynı prensibi kullanarak yok eder. Bu durumda, polarize filtre kamera eklentisi doğru açıya döndürülebilir (figüre bakın).

Kamera polarize filtreyi iki farklı açıya döndürererk alınmış bir pencere fotoğrafı. Soldaki resimde, polarizör pencere yansımasının polarizasyon açısıyla hizalanmıştır. Sağdaki resimde, polarizör ağır polarize yansıyan güneş ışığını engelleyecek şekilde 90° çevrilmiştir.

Brewster pencereleri

Brewster penceresi

Gaz lazerleri genellikle ışınların lazer tübünden ayrılmasına imkân tanımak amacıyla Brewster açısında eğilmiş pencere kullanır. Pencere bazı "s"-polarize ışığı yansıtırken "p"-polarize ışığı yansıtmayacağından, "s" polarizasyon için kazanç azalırken "p" polarizasyon etkilenmez. Bu durum, lazerin çıkışının "p" polarize olmasına neden olur ve pencere dolayısıyla kayıpsız lazer dalgası yayılmasına imkân verir.

Kaynakça

Bu makale aynı adlı İngilizce makalesinden çevrilmiştir. İngilizce makalenin gösterdiği kaynaklar aşağıdadır.

• A. Lakhtakia, "Would Brewster recognize today's Brewster angle?" OSA Optics News, Vol. 15, No. 6, pp. 14–18 (1989).
• A. Lakhtakia, "General schema for the Brewster conditions," Optik, Vol. 90, pp. 184–186 (1992).

Dış bağlantılar

• Brewster's Angle Extraction 26 Nisan 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. Wolfram Research
• Brewster window RP-photonics.com 15 Mayıs 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.