Warum teilt ein Spiegel meinen Laserstrahl?

Letzte Nacht fragte meine Tochter, warum ein Spiegel "immer das tut" (bezogen auf das Reflektieren eines Lichtflecks). Um ihr dabei zu helfen, es herauszufinden, schnappte ich mir meinen grünen Laserpointer, damit sie das Licht sehen konnte, das von der Quelle ausging und vom Spiegel reflektiert wurde.

Aber als wir spielten, bemerkte ich etwas Seltsames .

Anstatt einer Stelle gab es mehrere . Als ich den Winkel etwas ziemlich stumpf eingestellt habe

Laser, der vom Spiegel in einem stumpfen Winkel reflektiert wird

Die Wirkung wurde ziemlich ausgeprägt

Mehrere Punkte eines reflektierten Laserstrahls.

Und wenn man genau hinsah, konnte man tatsächlich mehrere Balken sehen Entkreuzen der Balken

(Natürlich sahen die Strahlen tatsächlich wie Strahlen im wirklichen Leben aus. Das Bild gibt den Strahlen eine längliche Sanduhrform, weil diese Teile unscharf sind.)

Diese Beobachtungen habe ich gemacht:

  • Je flacher der Winkel, desto größer die Streuung der geteilten Strahlen und der resultierenden Punkte.
  • Die Richtung der Reflexion ist auf die Ausrichtung des Spiegels zurückzuführen, nicht auf den Laserpointer selbst. Tatsächlich würde durch Drehen des Spiegels um 360° die Punktekette auch eine volle Drehung machen.
  • Ich kann mindestens 8 einzelne Punkte an der Wand zählen, aber ich konnte mit bloßem Auge nur 6 Balken sehen.
  • Wenn Sie sich das Split-Beam-Bild ansehen, sehen Sie eine vertikale Linie über den intensivsten Punkten. Ich habe dort keine intensiven Lichtflecken beobachtet.

Und als ich genau auf die Stelle schaute, wo der Strahl auf den Spiegel traf

Beam mich zweimal, schäme dich

Sie können ein Doppelbild sehen. Dies war nicht auf Verwacklungen der Kamera zurückzuführen, sondern nur auf das Licht, das vom Staub auf der Glasoberfläche reflektiert wurde, und auf eine Reflexion dieses Lichts von der Rückseite des Spiegels.

Es ist ein paar Jahre her, dass seit dem Physikstudium Dinge wie das Double-Split-Experiment gemacht wurden. Ich erinnerte mich auch daran, dass Licht seltsame Dinge zu tun scheint, wenn es in Flüssigkeiten/Prismen eintritt. Ich weiß auch, dass der grüne Laser eine bestimmte Wellenlänge hat, und man kann die Lichtgeschwindigkeit mit einem Schokoriegel und einer Mikrowelle messen .

Warum teilt der Spiegel den Laserstrahl? Wie erklärt das die Effekte, die ich gesehen habe? Gibt es eine Beziehung zum Double-Split-Experiment oder zur Wellenlänge / Lichtgeschwindigkeit?

Meiner Erfahrung nach erkennt man, wenn man sein Spiegelbild sehr genau betrachtet, in fast jedem Spiegel, dass mindestens zwei Spiegelbilder sehr nahe beieinander liegen. Der Punkt ist, dass es nicht nur Laser sind.
Herzlichen Glückwunsch zum Goldabzeichen! Und machen Sie weiter mit Ihren Töchtern Wissenschaft.

Antworten (2)

Sie erhalten Reflexionen von der vorderen (Glasoberfläche) und hinteren (gespiegelten) Oberfläche, einschließlich (mehrerer) interner Reflexionen:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Aus diesem Diagramm sollte ersichtlich sein, dass die Flecken weiter voneinander entfernt sind, wenn Sie sich zu einem stärker streifenden Einfallswinkel bewegen. Abhängig von der Polarisation des Laserpointers gibt es einen Winkel (den Brewster-Winkel), in dem Sie die Reflexion der vorderen (Glas-)Oberfläche vollständig verschwinden lassen können. Dies erfordert etwas Experimentieren.

Die genauen Details der Intensität als Funktion des Einfallswinkels werden durch die Fresnel-Gleichungen beschrieben . Aus diesem Wikipedia-Artikel ist hier ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Intensität der (Front-)Reflexion mit Einfallswinkel und Polarisation ändert:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dieser Effekt ist unabhängig von der Wellenlänge (außer insofern, als der Brechungsindex eine schwache Funktion der Wellenlänge ist ... Verschiedene Lichtfarben haben also einen leicht unterschiedlichen Brewster-Winkel); Laserlicht unterscheidet sich dabei von „normalem“ Licht lediglich dadurch, dass Laserlicht typischerweise linear polarisiert ist, sodass der Reflexionsfaktor für einen bestimmten Winkel einfach durch Drehen des Laserpointers verändert werden kann.

Wie Rainer P in einem Kommentar betonte, wenn es einen Reflexionskoeffizienten gibt c an der Vorderseite, dann ( 1 − c ) der Intensität macht es nach hinten; und ob der Reflexionskoeffizient an der Innenseite der Glas/Luft-Grenzfläche ist r , dann haben die aufeinanderfolgenden reflektierten Strahlen Intensitäten, die geometrisch abnehmen:

c , ( 1 − c ) ( 1 − r ) , ( 1 − c ) ( 1 − r ) r , ( 1 − c ) ( 1 − r ) r 2 , ( 1 − c ) ( 1 − r ) r 3 , . . .

Natürlich sagt uns das Reziprozitätstheorem, dass wir, wenn wir die Richtung eines Strahls umkehren, dasselbe Reflexionsvermögen erhalten, also r = c . Dies bedeutet, dass das obige vereinfacht werden kann; aber ich habe es in dieser Form belassen, um besser zu zeigen, welche Wechselwirkungen die Strahlen eingehen. Das Obige setzt auch eine perfekte Reflexion an der versilberten (Rück-)Fläche voraus: Es sollte leicht zu erkennen sein, wie Sie diesen Begriff hinzufügen könnten ...

Ich möchte etwas über die Leistung der Strahlen hinzufügen: bei einem Reflexionskoeffizienten c für die vordere ebene und 100% reflexion auf der rückseite ist die leistung c für den ersten Strahl, ( 1 − c ) 2 für die zweite und ( 1 − c ) 2 ⋅ c , ( 1 − c ) 2 ⋅ c 2 , ( 1 − c ) 2 ⋅ c 3 , usw. für alle anderen. Wenn c = 0,1 , zum Beispiel, die Kräfte werden [ 0,1 , 0,81 , 0,081 , 0,0081 , . . . ] . Dies ist im dritten Bild deutlich zu erkennen und erklärt die Intensität der Strahlen.
Ihrem Zick-Zack-Diagramm fehlt die Brechung an der Luftglasoberfläche. Eigentlich, wenn Glas das gleiche hätte n B. Luft, darf nicht einmal teilweise reflektiert werden, IIRC
@HagenvonEitzen - danke für den Hinweis. Ich hatte das ursprüngliche Diagramm in Eile gezeichnet und nicht erwartet, dass diese Antwort so viele Aufrufe erhält ... Ich habe es aktualisiert, um genauer zu sein.

Sie sehen Geisterbilder in einem zweiten Oberflächenspiegel; Die meisten Laseranwendungen mit Spiegeln – die guten oder kritischen – verwenden einen sogenannten Spiegel der ersten Oberfläche. Die anderen Antworten haben es bereits ziemlich gut erklärt, aber ich wollte einige Begriffe und ein Foto hinzufügen, um die Erklärung zu erleichtern.

Beispiel eines zweiten Oberflächenspiegels (links) und eines ersten Oberflächenspiegels (rechts). In beiden Bildern berührt der Stift die Oberfläche des Spiegels. Im linken Bild ist „Ghosting“ (eine schwache Reflexion von der ersten Ebene) sichtbarBeispiel eines zweiten Oberflächenspiegels (links) und eines ersten Oberflächenspiegels (rechts). In beiden Bildern berührt der Stift die Oberfläche des Spiegels. Im linken Bild ist "Ghosting" (eine schwache Reflexion von der ersten Ebene) sichtbar.

Bild und Bildunterschrift aus Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/First_surface_mirror

Ich nehme an, dass Oberflächenspiegel anfälliger für Kratzer usw. sind, richtig?
@WayneWerner Ja, Kratzer sind ein großes Problem, ebenso wie das Anlaufen (chemischer Angriff), weshalb Spiegel mit erster Oberfläche oft mit Gold beschichtet sind. Siehe auch diese Antwort für einige der Auswirkungen.
Diese positiv zu bewerten, da es wahrscheinlich einfacher ist, es einem Kind zu erklären.
@WayneWerner Das ist es, aber gleichzeitig sind diese teuren Spiegel, die in Forschung und Industrie verwendet werden, na ja, teuer. Wie alle teuren Geräte ist ihre Umgebung streng kontrolliert. Es ist nicht wie bei meinen Flurspiegeln, die mein Kleinkind umwerfen kann, wenn es vor seiner Schwester wegläuft...
@WayneWerner Sie können kleine Spiegel der ersten Oberfläche von alten Flachbettscannern oder Laserdruckern erhalten.
Ich verwende einen Spiegel der ersten Oberfläche, um Bilder in einem Planetarium zu projizieren. Aus ähnlichen Gründen (mehrere Bilder) können Sie keinen beschichteten Spiegel verwenden. Sie haben aufgrund der Oxidation der Oberfläche eine begrenzte Lebensdauer. Sie sollten nicht berührt oder gar angehaucht werden.
Können Sie nicht ein glänzendes Stück Metall als Spiegel der ersten Oberfläche verwenden? Sicher, es wird nicht perfekt sein, aber es könnte billiger zu bekommen sein.
Das Geisterbild ist wirklich hilfreich. Schöner Fund!
Warum teilt ein Spiegel meinen Laserstrahl?
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