22
Наблюдая солнечные зайчики, отраженные от стекла или от поверхности воды, вы, быть может, никогда не задумывались над тем, что же представляет собой отраженный свет. На первый взгляд кажется, что отраженный луч ничем, кроме направления, не отличается от луча падающего. На самом же деле это не так. Причина этого в поперечности световых волн.
Еще в 1808 году французский ученый Этъен-Луи Малюс обнаружил, что свет, отраженный от стекла, частично поляризован. Это означает, что интенсивность волн, составляющих отраженный свет, уже не одинакова для колебаний разных направлений, как у естественного света. Появляется изображение направления. В отраженном луче интенсивность волн с этим направлением колебаний максимальная, а интенсивность волн с направлением колебаний, перпендикулярным изображением, минимальная. Частная поляризация света имеет место при зеркальном отражении от границ двух любых диэлектриков.
Как же свет поляризуется при отражении, и от чего зависит степень поляризация? Чтобы понять это явление, познакомимся с ним подробнее.
Посмотрим через поляризатор на блок света, отраженного от стеклянной пластинки под большим углом. Поворачивая поляризатор вокруг его оси, можно убедиться, что отраженный луч частично поляризован с премишественным направлением колебаний, perпендикулярным плоскости
Рис. 1.
23
тем менше, чем больше отклонение угла падения от угла Брюстера.
Далее при перепределкулярном padенице света на стекло внутри стека проходит только 96% падающего света. Плокопаралельная пластинка имеет две поверхности, следовательно, даже если пренебречь поглощением света в стекле, она пропускает не более 92% падающего на нее света. А ведь современные объекты и оптические приборы могут состоять из десятков оптических деталей. Позмоту ясно, какую важную роль должны играть в технике вопросы, связанные с изучением отражения света от границы двух диэлектриков.
Поляризатор изготовить самим можно довольно просто. Показатель преломления объчно стека равен примерно 1,5—1,6. Угол Брюстера в этом случае составляет 56—58. Значит, любой кусок листового стека, наклоненный так, чтобы свет падает на него под углом 56 к нормали, будет служить достаточно хорошо поляризатором, и с его помощью можно наблюдать все эфекты, связанные с поляризцией света. Еще более удобными поляризаторами могут служить непрозрачные темные диэлектрики, например, черное стекло или засвеченные и проявленные негативы. В этом случае наблюдаю не менее проходящий сквозь пластинку свет. Однако из возможных конструкций отражательного поляризатора приведена на рисунке 1. Поляризатор состоит из цилиндрического или прямогольного корпуса, который можно склить из картона и покрыть изнутри черной краской. Под углом, равным 90° — φ₀ ≈ 30° к оси корпуса, укрепляется стеклянная пластинка или зачеренный негатив. Сбоку в корпусе делается отверстие для наблюдания. Луч света, направленный вдоль оси корпуса, падает на стекло или какой-нибудь другой диэлектрик с гладкой поверхности под углом Брюстера и наблюдается глазом через отверстие в корпусе. Имея пару таких поляризаторов, можно изготовить поляризаторы и несколько других конструкций.
Так как свет, отраженный от границы двух диэлектриков, поляризован с применением направленным колбаний, перепределкульным плоскости падения, то и преломленный луч должен быть поляризован. При padениии под углом Брюстера поляризация преломленных лучей максимальная, но далеко не полная. Свет, проходящий через границу воздуха — стекло, заметно поляризован. Если свет проходит внутри плоскопаралельной пластинки, то на второй поверхности вновь происходит преломление под тем же углом Брюстера, и поляризация прошедшего через пластинку света еще увеличивается. Если сложить последовательное несколько пластинок (несколько сложенных пластинок называются стопой), то поляризация проходитшего света будет быстро возрастать при увеличении числа пластинок в стопе. После проходения 8—10 пластинок и прошедший, и отраженный свет будет практическим полностью поляризованны. Интейсивности отраженного и прошедшего лучов в этом случае равны между собой и составляют какая половину интенсивности падающего света (если, конечно, можно пребречь поглощением в стекле). Оправу для такого поляризатора можно также склить из картона, только наблюдание следует вести теперь вдоль оси корпуса, на просвет. Многие изotropные произведения материалов, например, стекло, полностью целлюфан, могут приобретать заметную анизотропию под действием внешних механических нагрузок или под действием внутренних напряжений, возникших при изготовлении. Если такие материалы помещить между скрещенными поляризаторами и рассматривать в проходящем свете, можно увидеть на
24
Рис. 2.
участках с неоднородностями цветные полосы или пятра. В качестве отражательного поляризатора удобно использовать стопу, сделанную из стеклянных пластинок.
Появление окраски связывано с тем, что поляризованный свет, попадающий на анизотропный сбразец из первого поляризатора, распадается в образце на два пучка, имеющие разные скорости распространения и взаимно перпендикулярные направления поляризации. На выходе из исследуемого образца эти два пучка складывают. Поскольку скорости этих лучей в образце были разными, лучи прибретают разность фаз, величины которого зависит от величины анизотропии образца и от длины волны падающего света. Поэтому, складываясь, лучи света дают интерфейсционную окраску.
Рассматривая между поляризаторами разные произные предметы, вы легко обнаружите изделия с оптическими анизотропными участками. Посмотрите, как красиво выглядит между поляризаторами доньшко стаканчика от кофейной меланцы (рис. 2). Обыкновенный целлофан, полизтеленовая пленка, слюда прибретают окраску, похожую на окраску мыльных пленок или нефтяных пятен на воде. Из кусочков таких материалов можно изготовить мозничный орnament или небольшую картинику, причем нужный цвет можно подбирать вращением отдельных кусочков вокруг оси или накладывая их друг на друга. Таким способом изготовлена из целлофана картиника, показанная на рисунке 3. Целлофан был взят из общих упаковочных пакетков, в которых в магазинах продавют конфеты. Несколько труднее сделать картиники из полизтеленовой пленки. Чтобы окраска пленки была достагоно яркой и сочной, пленку необходимо предварительно сильно растянуть.
Можно наблюдать и поляризацию рассеяного света.
Возьмите какой-нибудь сосуд с произрачными стенками любои формы: цилиндрический стакан, сферическую колбу или кюеету с плоскими стенками, пол-литровую или литровую стеклянную банку. Можно взять и бутылку из неокрашенного стекла. Наполните сосуд годой, затем добавьте в него несколько капель чернил или туши и размешайте. Осветите сосуд каким-нибудь источником, создающим направленный пучок света, например, электронским фонарем, диапиликопроектором. Взвешенные в воде мелкие частицы будут заметно рассеявать свет. Сосуд лучше всего
Рис. 3.
ставить как можно ближе к источнику света, чтобы диаметр пучка был минимальным. Чтобы не было мешающих наблюдению бликов света от стенок сосуда, лучше всего на фонарь или проектор наклеить бумажную диафрагму, так, чтобы поперечный размер светового пучка был в несколько раз меньше диаметра сосуда.
Если смотреть перпендикулярно направлению распространения света, то вы увидите след луча в колбе. Это и есть рассеянный частичками свет. Наблюдая его через поляризатор, можно сбнаружить, что он плоскополяризован, поскольку при вращении поляризатора след пучка света в колбе погасает два раза за один оборот поляризатора. То же самое обнаруживается, если смотреть на сосуд вертикально сверху или снизу.
Такой же эффект можно наблюдать и при рассеянии солнечного света в атмосфере.
Свойство сеета поляризоваться при отражении от диэлектрика широко используется в технике, некоторые особенности этого явления вы можете наблюдать и сами. Пользуясь поляризаторами, можно устранить или ослабить свет, отраженный от стекла, эмали, пластмассы, асфальта, жидкостей и других неметаллических поверхностей. Например, при фотографировании можно ослабить или совсем убрать блик от стекол очков, мешающих видеть глаза; отражение неба в оконных стеклах зданий или на воде; блики, затрудняющие рассматривание застекленных картин или вещей в витринах и так далее.
Очень интересные эффекты можно получить при наблюдении и фотографировании поверхностей водоемов. При наклонном падении света на поверхность воды часть его зеркально отражается и слепит глаза, засвечивает фотопленку, мешает наблюдать подводные объекты. Однако, если воспользоваться соответствующим сбразом ориентированным поляризатором (нужная степень гашения бликов достигается просто вращением поля-
ризатора вокруг его оси), бо́льшая часть зеркально отраженного света будет поглощаться, и соотношение яркостей предметов намного улучшится. Поэтому поляризаторы необходимы летчикам при наблюдении с самолета за подводными лодками.
Листья деревьев и трава частично поляризуют наклонно падающий свет. Интенсивность отраженного листьями излучения солнца и неба имеет наибольшую величину при таком наклоне листьев, при котором зеркально отраженный свет направлен в сторону наблюдателя. Сквозь нейтральные (серые) поляризационные солнечные очки окраска листьев, травы и цветов мягче и насыщеннее, чем без поляризаторов.
Окна из поляроидов применяются в диспетчерских башнях аэропортов для улучшения видимости посадки и взлета самолетов. Поляризаторы используются также на сборочных линиях и при проверке качества изделий для улучшения видимости мелких дефектов. Поляризационные особенности отраженного света используются даже в рыбной промышленности для защиты глаз от блеска рыбной чешуи при сортировке рыбы на промыслах.
На практике мы довольно часто сталкиваемся не с естественным, а с частично поляризованным светом. Изготовив поляризаторы, вы и сами сможете в этом легко убедиться.
25