потери света на границе раздела сред

[IVA2000]

Добрый день, два вопроса:

1) При прохождении через границу раздела сред (например "воздух - прозрачный пластик") свет частично преломляется и отражается в соответствии с формулами Френеля. Сумма коэффициентов преломления и отражения по умолчанию считается равной единице. Затем преломленная составляющая по экспоненциальному закону поглощается в толще второй среды.
Скажите, пожалуйста, где в явном виде прописано отсутствие поглощения на самой границе раздела сред? Значимыми ли будут потери света после прохождения через множество незапыленных границ раздела прозрачных сред?
Нужно не частное мнение, а источник, на который можно сослаться.

2) При прохождении в толще мутной среды (напр. слабоматовый пластик (т.н. оптически тонкий слой, см. пример), свет частично рассеивается, частично поглощается. Скажите, пожалуйста, поглощается ли свет при рассеивании? Фотоны на диффузанте поглощаются или только меняют направление? Или смотря на каком диффузанте?

Заранее спасибо.

 

[IPTIV]

Нужно не частное мнение, а источник, на который можно сослаться.

О как! Ну, Сивухин например (Общий курс физики. В 5 т. Том IV. Оптика.). Но там про рассеяние света нет, а его аж пять видов (Рэлея, Ми, Мандельштама-Бриллюэна, комбинационное рассеяние (по Раману), Тиндаля). Поглощение - закон Ламберта-Бугера-Бэра. А лучше всего - физическая энциклопедия.

Я не специалист в оптике, но вижу, что вы смешиваете всё в одну кучу. Поглощение, отражение, рассеяние, преломление (а заодно ещё дифракция и интерференция, но там уже всё сложнее) описываются разными законами и в общем виде воздействие этих факторов на свет аддитивно (но только в определенных пределах, на брутто-уровне, скажем так). Потому как в среде, так и на границе, свет и рассеивается, и поглощается, и преломляется, а на границе раздела сред ещё и отражается, и все эти процессы независимы. Закон сохранения энергии здесь работает точно так же, как и везде во Вселенной, и ни один квант света не исчезает вникуда и не появляется из ниоткуда.

Сумма коэффициентов преломления и отражения по умолчанию считается равной единице.

Это вы откуда взяли? Показатель преломления вообще обычно больше единицы сам по себе, ибо (в случае световых волн) является отношением скорости света в вакууме к скорости света в среде.

Скажите, пожалуйста, где в явном виде прописано отсутствие поглощения на самой границе раздела сред?

А что такое граница раздела сред? Это что, некий слой? В законе Ламберта-Бугера-Бера фигурирует координата x вдоль направления распространения, проще говоря, чем больше свет прошёл путь, тем сильнее поглотился (короче, толщина слоя).

Значимыми ли будут потери света после прохождения через множество незапыленных границ раздела прозрачных сред?

Значимыми с точки зрения чего - оконной рамы или объектива микроскопа? Сказать могу одно: потери будут, и в слоях (даже "прозрачных", ибо ни поглощение, ни рассеяние в них не равно нулю), и на границах раздела (за счёт рассеяния и отражения). Даже при ортогональном падении света на прозрачное полированное стекло от границы раздела отражается что-то около 4%.

Скажите, пожалуйста, поглощается ли свет при рассеивании?

При рассеивании свет рассеивается, т.е. меняет направление на какое-то нам не нужное и до цели не доходит. А при поглощении кванты света передают свою энергию среде и исчезают. Но для наблюдателя брутто-результат действительно одинаков: свет до некой цели дошёл не весь.

Фотоны на диффузанте поглощаются или только меняют направление?

Нет идеальных веществ, т.е. например со 100% поглощением или 100% рассеянием. Потому и поглощаются, и рассеиваются и отражаются. И "диффузантом" (как и "поглотителем") является любая вещественная среда (т.е. не влияет на свет только вакуум).

 

[ch_alex]

Ищите работу "Оптика бумаги". Там многое сказано о переотражении, рассеивании и прочих явлениях.

 

[IVA2000]

IPTIV, все известные курсы общей физики, включая упомянутые вами, я прочитал в студенчестве, МФЭ и БФЭ тоже пользовался. Нигде в явном виде нет ответа на вопрос - есть ли потери при отражении от границы раздела сред. Возможно это полуволновой слой, но если поглощение в нем бугеровское с теми же коэффциентами, что и в основной толще, то им можно пренебречь. Но так ли это - непонятно.
ch_alex, вы советовали "Оптику бумаги" в посте "Чем измерить бондовское (сферическое) альбедо материала", я ее нашел и прочитал. Хорошая книжка, спасибо, но вопросы остались: упоминается френелевское отражение от границы раздела, затем описывается поглощение с рассеянием в толще по теории Кубелки-Мунка. А есть или нет поглощения на незагрязненной границе раздела сред - явно не указано.

 

[IPTIV]

все известные курсы общей физики, включая упомянутые вами, я прочитал в студенчестве

Вы были трудолюбивым студентом
Но очень странно, что при этом вы не понимаете природу поглощения света. Куда по-вашему он девается при поглощении? И где это происходит - кто конкретно "съедает" кванты света? А так же задам ещё раз вопрос: что такое граница раздела сред? Про полуволновый слой (который, вообще говоря, не обязательно именно полуволновый) вы правильно упомянули, вот только название его - слой, - как бы намекает. Слой, а не граница. Т.е. на неком подложечном слое имеется ещё один слой с ненулевой толщиной, а границы раздела имеются и между этими слоями, и между поверхностным слоем и воздухом (или вакуумом, или чем-то ещё). И слой этот так же поглощает свет сообразно своим характеристикам поглощения и толщине (а т.к. он полуволновый, то там ещё и интерференция происходит; именно так создаются просветляющие слои).
Припоминаю, что шеф хвалил когда-то книгу Джадда «Цвет в науке и технике», хотя она и не о спектроскопии. Я её не читал, ибо спектроскопией впрямую не занимался, но говорят хорошая. Если не читали - посмотрите эту книгу. Но я сомневаюсь, что и там будет впрямую дан ответ на интересующий вас вопрос (ибо он на поверхности лежит).

Не по теме:

Нигде в явном виде нет ответа на вопрос

Был у нас такой профессор Н., вёл физико-химические методы ислледования. Так вот он на семинарах никогда не задавал вопросы, ответы на которые есть в явном виде в книгах или в его лекциях. Ибо специалист должен обладать не только знанием, но и пониманием - т.е. умением использовать имеющиеся знания и синтезировать из них другие знания. Многие отличники этого профессора ненавидели)))

 

[ch_alex]

А есть или нет поглощения на незагрязненной границе раздела сред - явно не указано.

Вопрос упирается в оптическмй коэффициент преломления целлюлозы. Зная его, можно вычислить отражение от волокон. Но тут прежде всего интересуют статистически значимые параметры, а не учёт каждого волоконца в процессе рассеивания и поглощения света.

Пример с пластмасской показывает, что следует совмещать теорию с измерениями, иначе можно в такие дебри залезть...

 

[Alexey Shadrin]

Господа, полистайте Ханта -- у него кое-что было по данному вопросу (искать не имею возможности сейчас).

 

[IVA2000]

1) Джад и Вышецкий значительно внятней пишут о теории Кубелки-Мунка, чем "Оптика Бумаги". Еще они говорят об отражении на границе, рассеянии и поглощении в толще, но не говорят о связи отражения с поглощением и рассеяния с поглощением.
2) Также Джадд-Вышецкий указали, что теория Кубелки-Мунка полезна только для материалов, где связующее вещество - воздух, таких как акварель, бумага и текстиль. Или для матового пластика в глицерине. Но матовый пластик на воздухе ведет себя уже существенно иначе (около половины отражается от границ пластик-воздух назад в толщу материала - свет буквально запирается в материале).
3) У Ханта "13.9 переотражение в слоях фотоматериала" также независимо говорится об отражении и поглощении в толще. Калькуляции проводятся без учета поглощения при отражении.
4) Такие примеры как оптический световод окончательно убеждают, что само по себе отражение от границы раздела сред происходит практически без поглощения.
5) Осталось понять - есть ли корреляция коэффициента К с коэффициентом S теории Кубелки-Мунка для таких оптических сред как матированный поликарбонат и каковы порядки значений. Это чисто практический вопрос, теория тут бессильна. Отправил запрос в Bayer, может помогут.

 

[IPTIV]

Значит, посмотрел я немного Джадда. Я не специалист по цвету, потому специфические моменты могу не знать. Но в общем виде в состоянии пояснить вам следующее:
1. Теория Кубелки-Мунка придумана для т.н. красочных слоёв, т.е. слоёв, состоящих из некоторого связующего вещества (в идеале - оптически инертное с идеальной глянцевой поверхностью) и частиц пигмента, обладающих поглощением в силу оптических свойств их вещества и рассеянием в силу не указанных (в этой главе книги) впрямую процессов, а так же весьма малыми размерами ("толщину элементарного слоя dx будем считать <...> достаточно большой по сравнению с диаметром пигментных частиц"). Т.е. эти слои вполне напоминают тонкодисперсные суспензии - взвеси. И уравнения 3.7-3.8 выведены именно для описания распространения света внутри взвесей, а K и S характеризуют поглощение и рассеяние "сочетания пигмент - связующее красочного слоя". Следовательно, коэффициент S связан с рассеянием света на частицах, а это описывается рассеянием по Ми. Обратите внимание на случай сопоставимости размера частицы и длины волны, рассеяние на частицах и поглощение разведены по разным углам, ибо это разные по природе процессы:

Спойлер

В итоге вещество с большим количеством таких частиц становится непрозрачным. В этом причина белого цвета облаков на небе, белого цвета молока и т. д. Раствор коллоидных частиц может быть окрашен в том случае, когда вещество частиц избирательно поглощает свет в определенном спектральном диапазоне. (термин коллоидная частица здесь не совсем правилен, но сути дела не меняет - IPTIV)

В предельном случае "размер частицы>>длина волны" рассеяние на частицах превращается во Френелевское отражение.
Но возникает важный вопрос: насколько матированный поликарбонат похож на описанный красочный слой или взвесь? Что определяет его матовость?
2.

теория Кубелки-Мунка полезна только для материалов, где связующее вещество - воздух, таких как акварель, бумага и текстиль. Или для матового пластика в глицерине.

Вы не совсем правильно поняли. Одно из ограничений уравнения 3.10 состоит в том, что не учитывается отражение от границы среда-связующее вещество. Но это отражение можно учесть отдельно, ибо для глянцевой поверхности оно является Френелевским. Из четырёх ограничений это, пожалуй, самое преодолимое.
3. Вы уже сами несколько раз произнесли ответ вслух, но так и не можете его осознать: отражение и поглощение - разные процессы и описываются независимо. На поверхность диэлектрика упало 100 квантов. 30 отразилось, 50 поглотилось, а 20 рассеялось (читай - тоже отразилось, но незеркально). Но вас, судя по всему, интересует, где же конкретно это произошло. Тут пожалуй, что да, связь отражения и поглощения имеется. Но это на фундаментальном уровне, а на техническом эти процессы вполне описываются отдельно. Ещё раз - почитайте Физическую энциклопедию (правда, там сложно). Это не Википедия, это настоящая, под редакцией Прохорова (того, что лазер изобрел).
Вообще, можно уходить на атомно-квантовый уровень, а можно ограничиться брутто-эффектами. Чем успокоиться в вашем случае сказать сложно, ибо решаемую вами задачу вы не описали и в этом одна из главных проблем.