Поляризацията на светлината, линейна и кръгова

Ще разгледаме поляризацията на светлината. Знаем какво са светлинните вълни – те са електромагнитни вълни. Тоест те са изградени от електрични полета. Това не е достатъчно. Знаем, че има не само електрични полета. Това не може да поддържа себе си. Тук трябва да има и магнитни полета, които се променят. Тези са перпендикулярни – можеш да ги нарисуваш, трудно е, върху нещо двуизмерно, но можеш да си представиш, че изглеждат ето така. И тези магнитни полета ще сключват прав ъгъл с електричните полета. Но това става много объркано, ако опитам да нарисувам и електричните, и магнитните полета едновременно. Ще пропуснем магнитните полета. Често е достатъчно просто да знаеш посоката на електричното поле, когато се фокусираме върху електричното поле. Какво означава поляризация? Поляризацията се отнася до факта, че ако този светлинен лъч се носеше право към окото ти, или един детектор, какво щеше да видиш? Ако начертая една ос тук и тази точка тук, в средата, това е тази права – представи си, че гледаме право надолу по правата – а после нагоре и надолу е нагоре и надолу, а после наляво и надясно, в тази посока имам магнитното поле, то ще е насам и насам. Какво ще види окото ми? Окото ми ще види само електрични полета, които или сочат нагоре, или сочат надолу. Те може да имат различни стойности, но ще видя само електрични полета, които сочат нагоре или надолу. Поради това този светлинен лъч е поляризиран. Поляризирана светлина е светлина, при която електричното поле трепти само в една посока. Нагоре или надолу, това е една посока – вертикално. Или може да е поляризирано хоризонтално. Или може да е поляризирано диагонално. Тази вълна може да е поляризирана по всяка посока. Имам предвид, един такъв светлинен лъч, ако идваше насам под диагонал, този светлинен лъч, който трепти ето така, при което електричното поле трепти ето така, той също поляризиран. И двата от тези са поляризирани, понеже има само една посока, в която електричното поле трепти. И може да си мислиш: "Пфф, как ще имаш светлинен лъч, който не е поляризиран?" Лесно. Повечето светлина, която получаваме, не е поляризирана. Тоест, светлината, която идва от Слънцето, директно от Слънцето, обикновено не е поляризирана. Светлината от една крушка, стара крушка с нажежаема жичка, това нещо е горещо, светлината може да бъде поляризирана във всяка посока едновременно, да се припокрива. Ако нарисуваме случая с една крушка, случайна крушка с нажежаема жичка, част от светлината, която стига до окото ти, може да получиш някаква светлина, която е в тази посока, получаваш светлина, която е в тази посока, получаваш светлина във всички тези посоки във всеки даден момент. Ще трябва да събереш тези, за да получиш общата стойност, и те може да не са с една и съща големина. Но се опитвам да кажа, че във всеки даден момент не знаеш каква ще е посоката на електричното поле от случаен източник, който достига до окото ти. Може да е от всяка посока. Това не е поляризирано. Тази диаграма представлява светлина, която не е поляризирана. В някаква точка полето може да сочи насам, в някаква по-късна точка е насам, това е на случаен принцип. Никога не знаеш в коя посока ще сочи електричното поле. Докато тези тук са поляризирани. Как можеш да поляризираш тази светлина? Да кажем, че искаш светлина, която е поляризирана. Правиш експеримент. Трябва ти поляризирана светлина. Това е лесно. Можеш да използваш нещо, което се нарича поляризатор. И това е материал, който пропуска светлина, но пропуска светлина само с една ориентация, така че ще имаш поляризатор, който, например, пропуска единствено вертикално поляризирана светлина. Това е поляризатор – тези са евтини – тънък, от пластмаса, конфигуриран по начин, че да пропуска само светлина, която е вертикално поляризирана. Всяка светлина, която идва насам и не е вертикално поляризирана, бива блокирана, или абсорбирана. Това означава, че, ако използваш този поляризатор и го държиш между окото си и тази крушка, ще получиш само тази светлина. Цялата останала светлина ще бъде блокирана. Или можеш просто да завъртиш това и да си представиш поляризатор, който пропуска единствено хоризонтална светлина. Сега ще пропуска само светлина, която се движи насам, така че ще получиш само тази част от светлината. Или можеш просто да го ориентираш под всякакъв ъгъл, който искаш, и да блокираш всичко, освен определения ъгъл, под който този поляризатор е настроен да пропуска светлина. Можеш да направиш това. След като задържиш това нагоре, получаваш поляризирана светлина – светлина, която има само една ориентация. Това означава поляризация. Но защо ни интересува поляризацията? Нека за малко се отърва от това. Чували сме за поляризирани слънчеви очила. Представи си, че стоиш близо до вода или може би стоиш на лед или сняг, или нещо, което отразява. Има проблем. Да кажем, че слънцето пече. То грее. Красив ден е – освен, че ще има ослепителен блясък. Да кажем, че гледаш надолу към нещо, което е ето тук на земята. То ще отрази светлината от себе си... светлината идва от всички посоки. Но също така получава тази директна светлина от Слънцето. Получава светлина, отразена от облаците и от каквото друго има наблизо, околна светлина. И има също директна слънчева светлина. Това е лошо. Ако това се отрази директно към окото ти, това ще боли. Не ти харесва. Блокира зрението ни. Трудно е да виждаме, това е ослепителен блясък. Не искаме този блясък. Какво можем да направим? Така се получава, че когато светлината се отрази от една повърхност, въпреки че светлината от Слънцето не е поляризирана, след като се отрази, тя става поляризирана, или поне частично поляризирана. Тази повърхност тук, след като тази светлина се отрази, тя идва от всички ориентации. Имаме електрично поле... никога не знаеш какво електрично поле ще получиш директно от Слънцето. Но когато се отрази, при отразяването предимно получаваш посоката на поляризация, определена от равнината на повърхността, от която се е отразила светлината. Понеже подът е хоризонтален, когато този светлинен лъч стигне земята и се отрази, тази отразена светлина бива частично поляризирана. Тази хоризонтална компонента на електричното поле ще присъства повече, отколкото другите компоненти. Може би не напълно. Понякога може да е напълно поляризирана, но често е само частично поляризирана. Но това е доста хубаво, понеже сега знаеш какво можем да правим. Знам как да блокирам това. Трябва да си вземем слънчеви очила. Слагаме си слънчевите очила и ги правим така, че да са поляризирани. Как искаме да са поляризирани? Искаме да се отървем от блясъка. Уверявам се, че слънчевите ми очила пропускат единствено вертикално поляризирана светлина. Ето някои поляризатори. По този начин голяма част от този отблясък бива блокирана, понеже няма вертикална ориентация, има хоризонтална ориентация. И после можем да го блокираме. Това е едно хубаво нещо, което поляризацията върши за нас, и, като го разбираме, можем да се отървем от отблясъка. Също така и рибарите я харесват, понеже ако се опитваш да гледаш към рибата във водата, искаш да виждаш през водата, искаш да видиш тази светлина от рибата, стигаща до теб. Не искаш да виждаш отблясъка от Слънцето, стигащ до теб. Поляризираните слънчеви очила са полезни. Също можем да изиграем един трик на очите си, ако ни се иска. Можеш да вземеш едно от тези, да направиш едното око да има вертикална ориентация за поляризация, а другото око да е с хоризонтална... И си мислиш: "Това е глупаво. Защо ще направиш това? Това око ще получи много отблясък." Няма да използваме тези навън, когато си на ски или на риболов, но можеш да изиграеш един трик на очите си, ако отидеш на кино и гледаш филм. Причината очите ни да виждат 3D е, понеже са малко раздалечени. Всяко от тях получава малко по-различна картина. Това ни дава 3D зрение. Можем да изиграем същия трик на окото си, ако имаме такава поляризация. Ако част от светлината от екрана на киното идва с една поляризация, а останалата светлина идва с различна поляризация, можем да изпратим две различни изображения на очите си едновременно. Ако ги свалиш, това ще изглежда ужасно, понеже ще получаваш тези две малко различни изображения, това ще изглежда размазано. Така е. Ако свалиш 3D очилата си и гледаш 3D филм, това изглежда ужасно, понеже и двете очи получават и двете изображения. Но ако отново поставиш очилата си, сега това око получава само ориентацията, която трябва да получи, а това око получава ориентацията, която трябва да получи, и получаваш 3D изображение. Това е полезно по много начини. Нека ти покажа още едно нещо. Нека се върнем обратно тук. Тази светлина беше поляризирана вертикално. Това се нарича линейна поляризация. Всеки път... Същото нещо е и при тези. Всичко това е линейна поляризация, понеже, просто нагоре и надолу, една линейна посока, само диагонално – това е също линейно. Всички тези са линейни. Може да получиш кръгово поляризирана светлина. Ако се върнем обратно тук, електричното ни поле сочи нагоре, ето така. Да кажем, че изпратим друг светлинен лъч, който също има поляризация, но не в тази посока. Да кажем, че другият лъч светлина има поляризация в тази посока, изглежда ето така, както магнитното ни поле би изглеждало. Но това е напълно различен лъч светлина със своя собствена поляризация и свое собствено магнитно поле. Изпращаме този лъч. Какво ще се случи? В тази точка ще имаш електрично поле, което сочи насам. В тази точка ще имаш електрично поле, което сочи насам. Какво ще видят очите ти, ако бяха ето тук? Да видим. Ако начертая нашата ос тук. Когато тази точка тук стигне до окото ти, какво ще видиш? Ще имам лъч светлина, която е част от лъч светлина. Една компонента сочи нагоре. Това е това електрично поле. Една компонента сочи наляво. Това е това електрично поле. Общото ми електрично поле ще сочи насам. Мога да използвам Питагоровата теорема, ако искам да намеря големината му, но искам да знам просто посоката засега. И после стига дотук, и виж: и двете имат 0 – този лъч светлина има 0 електрично поле, този има 0 електрично поле. Това ще е при 0. Какво се случва тук? Имам светлина. Това лилавото ще сочи надясно в тази точка, а после това червеното ще сочи надолу. Какво ще имам в тази точка? Ще имам светлина, която се движи насам, и просто ще прави това отново и отново. Ще е просто... Просто ще имам диагонално поляризирана светлина. Това не ми дава нищо ново. Може да помислиш, че това е глупаво, защо правим това? Защо изпращаме две различни вълни, за да получим диагонално поляризирана светлина? Можех просто да изпратя една вълна, която беше диагонално поляризирана, и да получа същото нещо. Причината е, ако преместиш тази лилава вълна с 90 градуса извън фаза, с пи/2 радиана във фаза, нещо магическо се случва. Нека ти покажа какво се случва тук, ако преместим това тук. Сега не просто получаваме диагонално линейно поляризирана светлина. Ще получим... Нека се отървем от това. Започнахме с червеното, нали така? Червеното електрично поле сочи нагоре, а електричното поле на лилавата вълна в тази точка е 0. Това е всичко, което имам. Общото ми електрично поле просто ще е нагоре. Ще го начертая ето тук. Зеленото ще е за общото поле. Сега идвам тук и в тази точка има червено електрично поле, което сочи нагоре, но има част от това друго електрично поле, която сочи насам. Така че ще имам общо електрично поле, което ще сочи насам. И после стигам ето тук и ще имам цялото електрично поле от лилавото ни поле, и никакво от червеното поле. Тогава ще сочи напълно наляво. Виж какво се случва. Поляризацията на тази светлина, ако преместя това, ако стоя тук и гледам, докато окото ми получава тази светлина, ще видя тази светлина да върти поляризацията си. Ще забележа, че поляризацията се върти в кръгов модел. И поради това наричаме това кръгова поляризация. Това е друг вид поляризация, при който ъгълът на поляризацията се върти равномерно, докато този светлинен лъч навлиза в окото ти. И знаеш ли какво? Ъъъ... Изпратих тези така, че да получиш първо тази. Това не е логично. Първо ще получиш тези, които първи стигнат до теб, в този светлинен лъч, който се движи насам. Всъщност ще получиш първо това, после това, после това, после това. И затова няма да видиш това да се движи в посока обратна на часовниковата стрелка, а ще го видиш да се върти в кръгово поляризирана посока по часовниковата стрелка. Извинявай за това! Може да си помислиш: "Добре, защо? Защо да ни е грижа за кръговата поляризация?" Малко излъгах по-рано. Оказва се, за примера с киното, че всъщност обикновено не го правят така. Често в кината нямат просто линейно поляризирани очила. Това ще е проблем, понеже, когато погледнеш екрана на киното, и ако малко наклониш главата си... Помисли. Това вече няма да получи правилната картина. Ще получи изображение и от двете картини. И тази ще получи изображение и от двете картини. Картината ще е замъглена. Главата ти ще трябва да е напълно изправена през цялото време, което може да е досадно. Вместо това създаваме кръгово поляризирани очила, така че това да получи само една поляризация, а това да получи другата посока. По този начин, дори да наклониш главата си малко... по часовниковата стрелка е по часовниковата стрелка, обратно на часовниковата стрелка е обратно на часовниковата стрелка. Като използваме кръгова поляризация за 3D филми, това може да улесни очите ти да виждат по-добра 3D картина, дори ако главата ти е малко наклонена.