5.2. Поляризация при отражении и преломлении

П оляризованный свет можно получить, используя отражение или преломление света от диэлектрических изотропных сред (например, от стекла). Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 5.9 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 5.9 они изображены двусторонними стрелками).

С тепень поляризации того и другого луча зависит от угла падения луча. У каждой пары прозрачных сред существует такой угол падения, при котором отраженный свет становится полностью плоскополяризованным, а преломленный луч остается частично поляризованным, но степень его поляризации при этом угле максимальна (рис. 5.10). Этот угол называется углом Бpюстеpа. Угол Брюстера определяется из условия

,

где   – относительный показатель преломления двух сред. Можно показать, что при падении волны под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

Таким образом, пластинка диэлектрика сортирует лучи естественного света, отражая преимущественно лучи с одним направлением колебаний и пропуская перпендикулярные колебания.

Рис. 5.11а

Рис. 5.11б

Закон Брюстера может быть использован для изготовления поляризатора. В этом случае используют не отраженный, а преломленный луч, хотя он и не полностью поляризован. Чтобы получить высокую степень поляризации преломленного луча, его пропускают через стопу стеклянных пластинок: после прохождения каждой следующей пластинки стопы степень поляризации преломленного луча увеличивается. При достаточно большом числе пластинок проходящий через эту систему свет будет практически полностью плоскополяризованным, а интенсивность прошедшего света в отсутствие поглощения будет равна половине интенсивности падающего на стопу естественного света.

Основными источниками поляризованного света в окружающей нас среде являются такие яркие горизонтальные поверхности как водная гладь, мокрый асфальт (рис. 5.11а), снег, лед (рис. 5.11б), стеклянные поверхности (рис. 5.11в). По характеру воздействия на глаз или фотоплёнку плоскополяризованный свет ничем не отличается от неполяризованного.

Рис. 5.11в

Этот свет создает оптические помехи, приводит к ухудшению видимости при рыбной ловле, вождении автомобиля.

Рис. 5.11г

Блики могут неожиданно возникнуть на дороге, заставая водителей врасплох, особенно на мокрой дороге весной или осенью, когда солнце находится низко над горизонтом (рис. 5.11г).

Наилучшим средством борьбы с этим явлением является использование поляризующих фильтров. Использование поляризующих очков, например, во время рыбной ловли дает возможность устранить блики на воде, мешающие видеть, что происходит в толще воды и у дна. Так как у света, отраженного от воды, колебания в основном направлены горизонтально, то отраженный свет можно ослабить, если смотреть на воду через поляризатор, плоскость которого направлена вертикально. Ослабление будет максимальным, если наблюдение вести под углом, близким к углу Брюстера. В этом случае поляризующие очки гасят поляризованный свет, и в прозрачной воде становится видна подводная картинка, освещаемая преломленной частью светового пучка.

Н екоторые морские птицы при охоте закрывают глаза специальным веком, которое снижает отражение света, идущего с неба, от поверхности воды, и добыча становится видна лучше.

На рис. 5.12 приведены две фотографии озера. Левая фотография сделана без поляризующего фильтра. Второй кадр сделан с фильтром. Благодаря этому становятся видны предметы на дне водоема.

Эффект поляризации отраженного света используется для обнаружения с воздуха или из космоса пленок нефти на поверхности воды. Поляризатор усиливает контраст между участками моря, покрытыми маслянистой пленкой и лишенными такой пленки. Связано это с тем, что на покрытых рябью участках свет отражается под другим углом, чем на спокойных, и характер поляризации отраженной волны искажается маслянистым слоем.

Широкое применение для пейзажной фотосъёмки находят поляризационные светофильтры. Фотографические светофильтры предназначены для того, чтобы фотограф мог в случае необходимости устранять мешающие блики, возникающие при отражении, например, от гладкой поверхности воды или от поверхности стекла, защищающего музейные экспонаты. Действие поляризационных светофильтров в этих случаях основано на том, что отраженный свет в той или иной степени поляризован (степень поляризации зависит от угла падения света и при определенном угле, разном для разных веществ, – так называемом угле Брюстера – отраженный свет поляризован полностью). Если теперь смотреть на блик через поляризационный светофильтр, нетрудно подобрать такой поворот фильтра, при котором блик полностью или в значительной мере подавляется.

П рименение поляризационных светофильтров позволяет выделить поляризованный свет и творчески использовать его в фотосъемке. Воздействие поляризационных фильтров на изображение обусловлено тем, что они задерживают либо преобразуют поляризованный свет, отраженный от любых поверхностей. Это свойство можно использовать, чтобы ослабить или усилить эти отражения. Использование поляризующего светофильтра, кроме того, приводит к усилению цвета объекта, так как светофильтр уничтожает часть отраженных волн, из-за которых к цвету самого предмета примешивается белый.

Хорошей иллюстрацией влияния светофильтра на качество изображения является фотография девушки, сделанная через стеклянную витрину. Первый кадр (рис. 5.13) сделан без использования светофильтра, из-за отражения света девушка плохо видна за стеклом. На втором кадре (рис. 5.14) нет отраженной от стекла волны, мешающей правильному восприятию этой фотографии.