Světlo a elektromagnetické vlny
Přihlásit se
Světlo a elektromagnetické vlny (1/1) · 14:30

Lineární a kruhová polarizace světla Co je to polarizace světla? A jaké je její využití při promítání 3D filmů?

Navazuje na Elektřinu.
Pojďme si říct něco o polarizaci světla. Světelné záření je ve skutečnosti tvořeno elektromagnetickými vlnami. Takže je tvořeno elektrickým polem, ale to nestačí. Víme, že se nejedná jen o elektrické pole, to by samo o sobě nestačilo. Musíme přidat ještě měnící se magnetické pole. Tato dvě pole jsou vzájemně kolmá, takže se dají zakreslit – ve dvou dimenzích je to těžké – ale můžete si představit, že vypadají nějak takto. A magnetické pole směřuje kolmo ke směru pole elektrického. Ale je to opravdu zmatené, když se snažím nakreslit elektrické i magnetické pole najednou. Takže magnetické pole vynecháme. Často stačí znát pouze směr elektrického pole, budeme se zabývat pouze elektrickým polem. Takže co znamená polarizace světla? Kdyby tento paprsek světla mířil přímo do vašeho oka nebo do detektoru umístěného tady, co bychom viděli? Když nakreslím osu tak, že tento bod uprostřed reprezentuje tuto přímku – takže se koukáme přímo podél této přímky – a směry nahoru a dolů jsou nahoře a dole a vlevo a vpravo, ty směry, do kterých jsem předtím zakreslil magnetické pole, jsou tyto. Co bych viděl? Viděl bych elektrické pole, které buď míří nahoru, nebo dolů. Může mít různou velikost, ale směr kmitů elektrického pole bude vždy nahoru nebo dolů. Díky tomu můžeme říct, že náš světelný paprsek je polarizovaný. Takže polarizované světlo je takové, ve kterém elektrické pole kmitá pouze v jednom směru. Nahoru a dolů, to je jeden směr – svislý. Také by mohlo být polarizované vodorovně. Nebo by mohlo být polarizované diagonálně. V každém případě můžete světelnou vlnu polarizovat v jakémkoliv směru. Takový paprsek světla, kdyby k nám přicházel nakloněný diagonálně, tento paprsek, který takto kmitá, ve kterém elektrické pole kmitá takto, je také polarizovaný. Oba jsou polarizované, protože elektrické pole u nich osciluje jen v jednom směru. Můžete si říkat: „Pff, jak může existovat paprsek, který není polarizovaný?“ Jednoduše! Většina světla, které k nám přichází, není polarizované. Tím je například světlo přicházející ze Slunce. Přímo ze Slunce – to je typicky nepolarizované světlo. Světlo z žárovky, staré žhnoucí žárovky, Ta je velmi horká. Z ní dostanete světlo polarizované do všech směrů najednou, všechny smíchané dohromady. Takže když nakreslíme tyto osy pro žárovku, libovolnou žhavou žárovku, tak určitá část toho světla, které z ní dorazí do vašeho oka, může kmitat tímto směrem, jiná část tímto směrem, dostaneme světlo, které bude kmitat všemi těmito směry v každém libovolném čase. Musíte sečíst všechny směry, abyste dostali výsledný směr. Všechny směry sice nemusí přispívat stejnou vahou, ale v jakémkoliv daném čase nemůžete vědět, jakým směrem kmitá elektrické pole, které dorazilo do vašeho oka z nepolarizujícího zdroje světla. Může kmitat libovolným směrem. Takže tohle není polarizované. Toto schéma reprezentuje nepolarizované světlo. V určitém okamžiku může pole mířit tímto směrem, v jiném okamžiku zase tímto; je to náhodné. Nikdy nevíte, kterým směrem bude elektrické pole mířit. Zatímco tady ty, ty jsou polarizované. Takže jak můžeme polarizovat světlo? Řekněme, že chcete světlo, které je polarizované. Děláte experiment a potřebujete polarizované světlo. Můžete použít věc, které se říká polarizátor. To je materiál, který propouští pouze to světlo, které je orientováno určitým směrem. Takže můžete mít polarizátor, který například propouští pouze svisle polarizované světlo. Takže toto je polarizátor... bývají levné. Tenký, plastový, sestavený tak, že propouští pouze světlo, které je polarizováno svisle. Jakékoliv světlo jiné polarizace bude odraženo nebo pohlceno. To znamená, že kdybyste použili tento polarizátor a přidrželi si ho mezi okem a touto žárovkou, prošlo by k vám pouze toto světlo. Zbytek by byl zablokován. Nebo byste to mohli pootočit a získat polarizátor, který propouští jen vodorovně polarizované světlo. Teď by propouštěl pouze světlo, které bylo orientováno takto. Takže by se k vám dostala pouze tato část světla. Nebo byste ho mohli natočit kterýmkoliv směrem chcete a odstínit všechno až na určitý úhel, kterým bude definována propustnost polarizátoru. A jakmile to uděláte a použijete ho, dostanete polarizované světlo. Světlo s pouze jedinou orientací. Takže toto je význam polarizace. Ale proč bychom se o ni měli zajímat? No... zbavím se na chvilku tohoto. Určitě jste slyšeli o polarizačních brýlích. Představte si, že stojíte u vody nebo na ledě či na sněhu nebo na něčem, co odráží světlo. Nastává problém. Řekněme, že svítí slunce. Je nádherný den. Jenže odrazy slunečního světla vás budou oslňovat. Řekněme, že se koukáte na něco tady, na zemi. Bude to odrážet světlo přicházející ze všech možných směrů, ale taky přímo ze Slunce. Dopadá na vás světlo odražené od mraků a čehokoliv, co je poblíž. Okolní světlo. A taky přímá sluneční záře, ta je velmi ostrá. Když se odrazí přímo do vašich očí, bolí to. To se vám nelíbí. Oslepí vás to, nic nevidíte a leskne se to. A to my nechceme. Tak co s ním můžeme udělat? Dochází k tomu, že když se světlo odráží od povrchu, tak, i když předtím světlo ze Slunce nebylo polarizované, po odrazu již polarizované je. Nebo aspoň částečně polarizované. Takže jakmile se světlo odrazí od tohoto povrchu – k němu světlo přichází ve všech orientacích, máme elektrické pole a nikdy nevíme, jaké dostaneme přímo ze Slunce –, ale po odrazu od povrchu je většina světla polarizovaná ve směru, který je definován rovinou povrchu, od kterého se odrazilo. Protože zem je vodorovná, když tento paprsek dopadne a odrazí se, odražené světlo se částečně polarizuje. Tato vodorovná složka elektrického pole bude převažovat nad ostatními složkami. Pravděpodobně ne úplně, i když někdy ano. Mohlo by být úplně polarizované, ale většinou je jen částečně polarizované. Ale i tak je to super, protože teď už víme, co můžeme udělat. Víme, jak odstínit odlesky. Měli bychom si pořídit sluneční brýle. Nasadíme si naše sluneční brýle a vyrobíme je tak, aby byly polarizované. Ale jakým směrem mají být polarizované? Chci se zbavit toho lesku, takže to udělám tak, aby mé sluneční brýle propouštěly pouze svisle polarizované světlo. Tady jsou polarizátory. Takhle odstíníme většinu toho odlesku, protože ten nemá svislou orientaci, ale vodorovnou. Takže ho můžeme odstínit. To je jedna z věcí, pro které se polarizace hodí. To, že jí rozumíme, nás může zbavit odlesků. Rybářům se taky zamlouvá, protože když se snažíte najít rybu ve vodě, chcete vidět skrz hladinu. Chcete vidět světlo, které se k vám dostává od ryby. Nechcete místo toho vidět sluneční odlesky. Takže polarizační brýle jsou užitečné. Taky bychom mohli ošálit náš zrak, kdybychom opravdu chtěli. Mohli byste vzít polarizátor, na jedno oko nastavit svislou orientaci polarizace, zatímco na druhé oko horizontální... A teď si říkáte: „To je blbost! Proč bychom to dělali? Takhle se mi do jednoho oka dostane spousta odlesků.“ Ale my bychom je nepoužívali venku během třeba lyžování nebo rybaření. Ale mohli byste ošálit váš zrak, kdybyste šli do kina na film. Důvod, proč naše oči vidí 3D, je protože mezi nimi je určitá vzdálenost. Každému oku se dostává trochu jiný obraz. Díky tomu vidíme 3D. Stejně můžeme naše oči obelstít, máme-li polarizaci nastavenou tímto způsobem. Když je část světla z filmového plátna polarizovaná jedním směrem a druhá část je polarizovaná opačně, můžeme do každého oka poslat ve stejnou chvíli jiný obraz. Kdybyste si ty brýle sundali, obraz by nestál za nic, protože byste viděli oba tyto trochu odlišné obrazy najednou, bylo by to celé rozmazané. A taky že ano. Když si sundáte 3D brýle a kouknete se na 3D film, vypadá to příšerně, protože se k oběma očím dostávají oba obrazy. Ale když si brýle zase nasadíte, tak se k tomuto oku dostane pouze ta orientace, která se k němu dostat má. A k tomuto oku se dostane taky pouze ta orientace, která má, a máte 3D obraz. Takže je to užitečné v mnoha ohledech. Ještě vám něco ukážu. Vraťme se zpátky sem. Tohle bylo polarizované svisle. Říkáme tomu lineární polarizace. Stejně tak v tomto případě. Tohle jsou všechno lineární polarizace, protože je to jen nahoru a dolů, jediný lineární směr. Jen diagonální. Toto je také lineární. Všechno tady je lineární. Můžete získat kruhově polarizované světlo. Takže když se vrátíme sem, máme naše elektrické pole mířící vzhůru, takto. Teď řekněme, že sem vyšleme další světelný paprsek, který je také polarizován, ale ne ve stejném směru. Řekněme že náš další paprsek je polarizován v tomto směru. Takže vypadá takto. Vlastně stejně jak by vypadalo naše magnetické pole. Ale tohle už je úplně jiný světelný paprsek se svou vlastní polarizací a svým vlastním magnetickým polem. Tak ho tam pošleme. Co by se stalo? No v tuto chvíli byste měli elektrické pole mířící tímto směrem. A v tomto bodě byste měli elektrické pole mířící tímto směrem. Co byste viděli, kdybyste byli tady? Podívejme se. Když tady nakreslím tyto osy... Dobře, když se tenhle bod dostane k vašim očím, co uvidíte? Budeme mít světelný paprsek, tohle je jedna část toho paprsku. Jedna složka míří nahoru. To je toto je elektrické pole. Jedna složka míří doleva. To je tohle elektrické pole. Takže celkové elektrické pole bude mířit tímto směrem. Mohl bych použít Pythagorovu větu, kdybych chtěl zjistit jeho velikost, ale já chci zatím vědět jen směr. A když se to dostane sem, obě složky jsou nulové. Tento paprsek má nulové elektrické pole, tento taky, takže výsledné pole bude nulové. A co se děje tady? No, máme světlo. Tohle v tomto bodě míří doprava. To růžové. A to červené míří dolů. Takže co dostaneme na této straně? Získáme světlo mířící tímto směrem. A to se bude dít pořád dokola. Takže získáme diagonálně polarizované světlo. To nám nedává nic nového. Nejspíš si myslíte, že je to hloupost. Proč skládat dvě různé vlny, abychom dostali diagonálně polarizované světlo? Stačilo by, kdybychom měli jen jednu vlnu, která by byla diagonálně polarizovaná, a byla by to ta stejná věc. Důvod je ten, že když posunete tu fialovou vlnu ve fázi o 90 stupňů, neboli o polovinu pí, stane se něco kouzelného. Podívejte se, co se stane, když toto posuneme sem. Nyní nedostaneme pouhé diagonálně lineárně polarizované světlo. To co dostaneme, je... Tohohle se zbavím. Ok, takže začneme s červeným, ano? Červené elektrické pole míří nahoru a elektrické pole růžové vlny je v tomto bodě nulové. Takže výsledné elektrické pole bude prostě směřovat nahoru. Nakreslím to tady, zelené bude výsledné pole. Teď se kouknu sem. V tomto bodě je nějaké elektrické pole mířící vzhůru, ale je zde i to druhé elektrické pole, které míří tímto směrem. Takže výsledné elektrické pole bude mířit tímto směrem. A pak se dostaneme sem, kde je výsledné pole tvořeno pouze tím růžovým, bez příspěvku od červeného. Takže celkově bude mířit doleva. Koukněte, co se děje. Polarizace tohoto světla, když to posunu, když sedím tady a koukám se, když mé oko přijímá světlo, uvidím, že polarizace tohoto světla rotuje. Polarizace, kterou budu vnímat, se bude točit dokola. A proto to nazýváme kruhovou polarizací. Takže to je další typ polarizace. Kdy úhel polarizace plynule rotuje, zatímco tento paprsek vstupuje do vašeho oka. A víte co? ...Errr, drrr... No dobře, říkal jsem, že se k vám jako první dostane tento, to nedává smysl. Jako první se k vám dostane ten, který je k vám blíž v tomto paprsku, který jde tímto směrem. Takže se k vám jako první dostane tento, potom tento a pak tento. Díky tomu to neuvidíte točit se proti směru hodinových ručiček, ale naopak po směru hodinových ručiček, jako kruhově polarizované světlo. Omlouvám se. Můžete si říkat: „Dobře, ale proč? Proč bychom se měli trápit kruhovou polarizací?“ No, trochu jsem předtím lhal. Ono to v tom příkladu s kinem většinou nefunguje tak, jak jsem popisoval. Většinou v kinech nemáme pouze lineárně polarizované brýle. To by byl problém, protože kdybyste se dívali na promítací plátno a naklonili byste trošičku hlavu... Zamyslete se nad tím. Do obou očí by se dostával i obraz určený pouze tomu druhému oku a bylo by to rozmazané. Museli byste celou dobu mít perfektně vyrovnanou hlavu, což by bylo otravné. Takže místo toho vyrábíme kruhově polarizované brýle, takže k tomuto oku se dostane jen jeden směr polarizace a k tomuto se dostane ten druhý směr. Takto, i když nakloníte hlavu, po směru ručiček je pořád po směru, proti směru je pořád proti směru. Díky užití kruhové polarizace pro 3D filmy je pro naše oči méně náročné vidět kvalitní 3D obraz, i když máme trochu nakloněnou hlavu.
video