Sztuczka z polaryzacją światła | Kwantowo.pl

Polaryzacja to naprawdę podstawowa cecha światła, od dekad wykorzystywana w fotografii, kinematografii czy optyce. Mimo to rodzi pytania, nad którymi warto się pochylić.

Mówić będziemy o wła­ści­wo­ściach światła, a więc jed­no­cze­śnie fotonów – jako nośników oddzia­ły­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego i zarazem kwantów światła. Na szczę­ście, inte­re­su­jącą nas cechę fotonu daje się zobra­zo­wać sto­sun­kowo prosto.

Wyobraźmy sobie cząstki jako szereg psów trzy­ma­ją­cych kije w pyskach. Badyl będzie od teraz wyznacz­ni­kiem pola­ry­za­cji, toteż zależnie od tego jak zwie­rzaki obrócą głowy, będzie ona przy­bie­rać dowolny kąt. Dla uprosz­cze­nia przyj­miemy trzy opcje: pionową, poziomą i ukośną (45°). Poza źródłem światła potrzeba nam jeszcze filtrów pola­ry­za­cyj­nych. W praktyce miewają one różne formy, od spe­cjal­nych krysz­ta­łów do poli­me­ro­wych płytek i szkiełek – ale w naszej prze­no­śni, rolę filtra zagra sta­ro­świecki płot. Jak łatwo zgadnąć będzie to filtr o pola­ry­za­cji pionowej, z uwagi na usta­wie­nie desek. 

Teraz puśćmy naszą metaforę w ruch. Zade­mon­strujmy co się stanie, gdy spró­bu­jemy prze­ce­dzić wiązkę światła spo­la­ry­zo­wa­nego poziomo przez filtr usta­wiony pionowo:

Pola­ry­za­cja fotonu

Foton, niczym zdez­o­rien­to­wany czwo­ro­nóg, w żaden sposób nie prze­śli­zgnie się przez prze­szkodę. Mówiąc wprost, taki eks­pe­ry­ment przy­nie­sie nam wynik 0% prze­pusz­czo­nego światła. To tak oczy­wi­ste, że aż niegodne naszych rozważań. Zrobi się cie­ka­wiej, gdy użyjemy fotonów spo­la­ry­zo­wa­nych ukośnie. Pies trzy­ma­jący patyk pod kątem 45° nie prze­ci­śnie się między szta­che­tami, tak samo jak w pierw­szym przy­padku. Tak pod­po­wiada nam wyobraź­nia i zdrowy rozsądek. Jednak tutaj nasze codzienne doświad­cze­nia zaczy­nają zawodzić. Po wystrze­le­niu wiązki ukośnych fotonów, na drugą stronę prze­do­sta­nie się mniej więcej ich połowa.

Zwróćmy tu uwagę na istotny szczegół. Poje­dyn­czy kwant światła, z defi­ni­cji nie podlega już żadnym roz­bi­ciom, sta­no­wiąc naj­mniej­szą możliwą porcję fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej. Nigdy więc nie dojdzie do sytuacji, w której pół fotonu pokona filtr, a pół się zatrzyma. Foton musi “wybrać” czy w całości pokona filtr, czy w całości ulegnie absorp­cji. Gdybyśmy emi­to­wali poje­dyn­cze kwanty w kierunku ukośnego pola­ry­za­tora, otrzy­ma­li­by­śmy cał­ko­wi­cie losowe wyniki. Prze­cho­dzi, prze­cho­dzi, nie prze­cho­dzi, prze­cho­dzi, prze­cho­dzi, nie prze­cho­dzi, nie prze­cho­dzi etc. Chociaż wszyst­kie fotony są iden­tyczne, zacho­wują się wedle własnego kaprysu. Wynik obser­wa­cji wynika stąd, że po wypusz­cze­niu wiązki miliar­dów fotonów, sta­ty­stycz­nie 50% cząstek wybierze pierwszą, a 50% drugą opcję.

Po prostu tak chce pro­ba­bi­li­styczna natura.

Polaryzacja światła przez polaryzatorZostawmy to i wróćmy do filtrów. Wiemy już, że gdy światło jest spo­la­ry­zo­wane pro­sto­pa­dle do pola­ry­za­cji filtra, nie przej­dzie w ogóle; kiedy ma pola­ry­za­cję ukośną przej­dzie w połowie; a logika pod­po­wiada, że gdy kierunki pola­ry­za­cji są zgodne (pionowa-pionowa, pozioma-pozioma, ukośna-ukośna), filtr nie będzie stanowił dla fotonów żadnej prze­szkody. A co się stanie gdy nałożymy na siebie dwa filtry? To tak jak gdybyśmy posta­wili naprze­ciwko dwa płoty. Załóżmy, że “szta­chety” pierw­szego filtru usta­wione są poziomo, a drugiego pionowo. W tym przy­padku poziomo spo­la­ry­zo­wane światło rzecz jasna nie przej­dzie, bo choć wszyst­kie fotony prze­fruną przez jedną prze­szkodę, to zostaną zata­mo­wane przez drugą.

Bądźmy ambitni i dołóżmy trzeci pola­ry­za­tor. Pierwszy usta­wiamy poziomo (zgodnie z fotonami), drugi ukośnie, trzeci pionowo. Teo­re­tycz­nie prze­szkoda wydaje się jeszcze trud­niej­sza do poko­na­nia. Jednak ku naszemu zasko­cze­niu, wiązka pokona trzy pola­ry­za­tory, choć nie radziła sobie z dwoma! Kon­kret­nie, na wylot przej­dzie około jednej czwartej części wyemi­to­wa­nych fotonów. Dlaczego? Przez pierwszą (zgodną) płytkę prze­la­tuje 100% cząstek, przez ukośną jak wiemy prze­do­sta­nie się już 50%, ale dzieje się jeszcze coś. Fotony, którym udało się prze­drzeć przez ukośny pola­ry­za­tor, same prze­krę­cają swoją pola­ry­za­cję do 45°. Skoro tak, to ostatnia płytka już nie jest dla nich usta­wiona pro­sto­pa­dle i znów prze­pusz­cza 50% wiązki. Osta­tecz­nie przez układ prze­cho­dzi 1/4 użytego światła, choć bez środ­ko­wego elementu nie zoba­czy­li­by­śmy nic.
Efekt użycia trzech polaryzatorów

Trzy filtry o różnych pola­ry­za­cjach w praktyce.

Rzecz jasna filtry pola­ry­za­cyjne można dowolnie obracać, zmniej­sza­jąc bądź zwięk­sza­jąc odsetek prze­pusz­cza­nych fotonów. Zabawa wido­wi­skowa, choć jak widzicie samo zjawisko wynika z dość prostych założeń. Sądzę, że tym bardziej warto zdawać sobie z nich sprawy. Zwłaszcza, że szkiełka pola­ry­za­cyjne spo­ty­kamy wszędzie, choćby w nie­któ­rych typach okularów prze­ciw­sło­necz­nych.

Tak na mar­gi­ne­sie. Pier­wot­nie ten wpis miał być wstępem do innego artykułu, ale rozrósł się na tyle, że posta­no­wi­łem go wydzie­lić. Ale w przy­ro­dzie nic nie ginie, a nabyta wiedza przyda się nam już wkrótce, gdy spraw­dzimy jak dzięki fotonom i pola­ry­za­cji światła można zwe­ry­fi­ko­wać zjawisko super­po­zy­cji kwan­to­wej. 

podpis-czarny
  • Anonim

    A czy fotony emi­to­wane np. przez żarówkę/LEDa mają z góry założoną pola­ry­za­cję (np. pion) czy “wybie­rają” ją losowo?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Tak. Wszyst­kie pospo­lite źródła światła, w tym żarówki czy Słońce, wysyłają światło “nie­spo­la­ry­zo­wane” — co oznacza, że mamy do czy­nie­nia z mie­szanką różnie spo­la­ry­zo­wa­nych fotonów.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • MyDi­squ­sAc­co­unt

        A okulary z filtrem pola­ry­za­cyj­nym po prostu zawie­rają pola­ry­za­tor pionowy (bądź kilka)? Czy różne stopnie “przy­ciem­nia­nia” okularów to bez­po­śred­nia kon­se­kwen­cja ilości / doboru kąta pola­ry­za­to­rów w oku­la­rach?

        Warto dodać, że “Most cel­l­phone screens utilize pola­ri­zers to allow users to see what the cel­l­phone wants them to see and not extra­ne­ous glare and reflec­tions.”. Trochę prze­szka­dza to podczas jazdy autem w oku­la­rach prze­ciw­sło­necz­nych, kiedy telefon z GPS-em zorien­to­wany jest poziomo 😉

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        Podej­rze­wam, że to zależy od pro­du­centa okularów. Pewnie można znaleźć różne typy. 😉

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • ArtRac

    Muszę przyznań, że jestem mocno zasko­czony, chociaż uza­sad­nie­nie efektu jest logiczne. Nie­in­tu­icyjne jest to, że dodanie kolej­nego filtra powoduje wzmoc­nie­nie.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0