ΦΩΣ ΚΑΙ ΠΟΛΩΣΗ ΜΕ ΑΠΛΑ ΛΟΓΙΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η πόλωση είναι ένας όρος ο οποίος συναντάται συχνά στην φωτογραφία, και ειδικότερα όταν έχουμε να κάνουμε με την επιλογή κάποιου φίλτρου για τον φακό της μηχανής μας. Θα έχετε ακούσει λίγο ή πολύ για τα "κυκλικά πολωτικά" ή απλά "πολωτικά" φίλτρα, τα οποία με κάποιον μαγικό τρόπο κόβουν τις ανακλάσεις από τζάμια και λίμνες και αυξάνουν τον κορεσμό (contrast). Θα προσπαθήσω λοιπόν με απλά (όσο το δυνατόν) και κατανοητά λόγια, να περιγράψω στους πιο αμύητους τους βασικούς μηχανισμούς του φαινομένου της πόλωσης, ώστε να μπορούν να κατανοήσουν την χρησιμότητα των πολωτικών φίλτρων, και την βασική αρχή λειτουργίας τους.Το μήνυμα που ακολουθεί είναι -αναγκαστικά- μακροσκελές, αλλά δεν θα ζητήσω προκαταβολικά συγγνώμη -αντίθετα με ότι συνηθίζεται - μιας και το φαινόμενο είναι αρκετά δύσκολο και κάποιος που ενδιαφέρεται να το αποκρυπτογραφήσει θα πρέπει να είναι έτοιμος να αντιμετωπίσει τέτοιου είδους κείμενα

-Τι είναι λοιπόν η πόλωση;
-Η πόλωση είναι ένα φαινόμενο δύσκολο στην περιγραφή του, γιατί έχει να κάνει με πολύ αφαιρετικές έννοιες όπως η κυμματική φύση του φωτός και η ταλάντωση στοιχειωδών δομικών λίθων της ύλης. Δυστυχώς, για να γίνει κατανοητό το τι πραγματικά συμβαίνει, θα πρέπει να ανατρέξουμε στην ρίζα των φαινομένων, δηλαδή στην ίδια την φύση του φωτός! (μην απογοητεύεστε, θα είμαι -όσο μπορώ- σύντομος ).

ΤΙ ΕIΝΑΙ ΤΟ ΦΩΣ
Το φως λοιπόν -όπως μας λέγαν στο σχολείο- είναι ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό και ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, κάθετα, τόσο μεταξύ τους όσο και προς την διεύθυνση διάδοσής τους, και μάλιστα με διαφορά φάσης 0, τα οποία ταξιδεύουν στον χώρο με ταχύτητα c=3x10^8 m/sec. Επίσης, το φως είναι και σωματίδιο (θα έχετε ακούσει για το λεγόμενο "φωτόνιο"), το οποίο επίσης ταξιδεύει με ταχύτητα c. Θα μου πείτε τώρα "ώπε μεγάλε, εσύ μας έταξες απλά λόγια, τι ιστορίες είναι οι παραπάνω;" και θα έχετε απόλυτο δίκιο! Πάμε λοιπόν να αποκωδικοποιήσουμε τις προηγούμενες δυσνόητες έννοιες:

-Δυικότητα του φωτός
Κατ'αρχάς, ας μην ξεχνάμε την δυικότητα της φύσης του φωτός, δηλαδή -αυτό που αδυνατούσαμε να καταλάβουμε στο λύκειο όταν μας έλεγαν - ότι το φως είναι ταυτόχρονα και κύμα και σώμα! Ξέρω ότι είναι δύσκολο να γίνει κατανοητό, αλλά -πιστέψτε με- έτσι ακριβώς συμβαίνει στην φύση! Το φως είναι μια "διχασμένη προσωπικότητα", που άλλοτε (σε κάποια φαινόμενα) μας εμφανίζεται με τις ιδιότητες του κύματος και άλλοτε (σε κάποια άλλα φαινόμενα) με της ιδιότητες ενός σώματος (ή σωστότερα, ενός σωματιδίου, αφού το σώμα αυτό έχει μηδαμινές διαστάσεις και μηδαμινή μάζα). Φανταστείτε λοιπόν ότι οι δύο αυτές εκφάνσεις του φωτός είναι οι δυο όψεις του ίδιου ακριβώς νομίσματος. Ανάλογα από ποιά πλευρά κοιτάμε το νόμισμα (=ποιό φαινόμενο παρατηρούμε), θα δούμε και την αντίστοιχη όψη (σημ:σύμφωνα με την σύγχρονη φυσική, και ειδικότερα με έναν κλάδο της που ονομάζεται "κβαντομηχανική", έχει αποδειχτεί ότι γενικότερα η ύλη και τα κύματα εμπλέκονται έτσι μεταξύ τους -μέσω μιας άλλης ιδιότητας που λέγεται ενέργεια-, που και οι δύο τρόποι να περιγράφουν εν τέλει σωστά την πραγματικότητα την οποία ζούμε. Ετσι, με την βοήθεια των κυμάτων μπορούμε να περιγράψουμε και την ύλη! Οπότε μην ξαφνιαστείτε αν ακούσετε ποτέ κανέναν να περιγράφει "από ποιά κύματα αποτελείται ένα κομμάτι ύλης" (!!) ή πώς γίνεται ένα κομμάτι ύλης ξαφνικά να εξαφανίζεται και -αφού έχει ταξιδέψει ως κύμα- να εμφανίζεται κάπου αλλού (έτσι κινούνται μερικές φορές τα ηλεκτρόνια μέσα στα άτομα!)!!Πανικός ε; )
Ως κύμα το φως περιγράφεται από μεγέθη όπως η συχνότητά του, το μήκος κύματός του (δηλαδή το χρώμα του ), την περίοδό του. Από την άλλη, ως σωματίδιο, κουβαλάει κάποια ορμή, κάποια στροφορμή κλπ.

Το φαινόμενο της πόλωσης εξηγείται με βάση την κυματική φύση του φωτός. Όμως, για να γίνει απολύτως κατανοητό, μένει ακόμα να διερευνήσουμε και ένα άλλο θεματάκι, πριν προχωρήσουμε στα ενδότερα της πόλωσης: πώς παράγεται το φως;

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΦΩΤΟΣ
Το φως, ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα, είναι αποτέλεσμα της ταλάτνωσης των ηλεκτρονίων που εμπεριέχονται στα άτομα που αποτελούν την ύλη (αυτό σε πολύ γενικές γραμμές..Αν υπάρχουν επιστήμονες εντός του dpgr ας συγχωρήσουν τους απλοϊσμούς μου ). Θυμάστε πώς μας λέγανε ότι είναι φτιαγμένα τα άτομα; Σε πολύ γενικές γραμμές, ας πούμε ότι στο κέντρο του ατόμου είναι ο πυρήνας του και γύρω του κινούνται τα ηλεκτρόνια, σε τροχιές που απέχουν διάφορες αποστάσεις από το κέντρο του πυρήνα. Κάτι σαν αυτό που συμβαίνει στο ηλιακό μας σύστημα (ήλιος=πυρήνας, πλανήτες=ηλεκτρόνια). (σημείωση: στην πραγματικότητα, αυτό που συμβαίνει είναι αρκετά πολυπλοκότερο, μιας και έχει αποδειχτεί ότι τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται σε προκαθορισμένες τροχιές -σαν τους πλανήτες- αλλά σε διάφορες περιοχές του χώρου, οι οποίες περιγράφονται με ένα σύστημα πιθανοτήτων, το οποίο με την σειρά του μπορεί να αναπαρασταθεί από στάσιμα κύματα -τις λεγόμενες κυματοσυναρτήσεις. Αν όλα αυτά ακούγονται μπερδεμένα, απλά αγνοήστε τα Τα αναφέρω μόνο για επιπλέον προβληματισμό σε αυτούς που τους νοιάζει να ψάξουν περισσότερο..) Τα ηλεκτρόνια λοιπόν βολτάρουν αμέριμνα γύρω από τον πυρήνα και αισθάνονται πραγματικά ικανοποιημένα με την κίνησή τους αυτή, έτσι που να είναι σε θέση να την πραγματοποιούν αιωνίως! Αν τώρα για κάποιον λόγο ένα ηλεκτρόνιο, εκεί που βολτάρει σε μια συγκεκριμένη τροχιά με δεδομένη απόσταση από τον πυρήνα, αναγκαστεί (για οποιονδήποτε λόγο) να κατέβει σε μια άλλη τροχιά, πιο κοντά στον πυρήνα, τότε τσουπ, δημιουργεί ένα φωτόνιο, δηλαδή μια στοιχειώδη ακτίνα φωτός, ή αλλιώς ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, το οποίο ταλαντώνεται με συγκεκριμένο τρόπο και αρχίζει το μαγικό ταξίδι του στον χώρο.

Το κύμα αυτό, όπως είπα και παραπάνω, δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα μικρό μαγνητικό και ένα μικρό ηλεκτρικό πεδίο κάθετα μεταξύ τους, η ένταση των οποίων δεν είναι σταθερή, αλλά μικραίνει και μεγαλώνει, εκτελώντας ουσιαστικά μια ταλάντωση ανέμσα στην μικρότερη και μεγαλύτερη τιμή της. Αν αυτό σας φαίνεται μπερδεμένο, κοιτάξτε την παρακάτω εικόνα:
:


Το κύμα αυτό πηγαίνει προς το κάτω δεξί μέρος της εικόνας. Ας πούμε ότι τα κόκκινα βέλη περιγράφουν το ηλεκτρικό πεδίο και τα μπλέ βέλη το μαγνητικό (τα βέλη αυτά λέγονται "ανύσματα"). Η μεταβολή της έντασης των πεδίων φαίνεται πολύ καλά αν κοιτάξετε πάνω αριστερά, στο σημείο όπου ξεκινά το κύμα, όπου τα βέλη φαίνονται να μεγαλώνουν και να μικραίνουν.

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΠΟΛΩΣΗ
Για να απλοποιήσουμε λίγο τα πράγματα, ας πάρουμε μόνο το ηλεκτρικό πεδίο και το κύμα που το αναπαριστά (κόκκινα βέλη). Όλα τα κόκκινα βέλη βρίσκονται πάνω στο ίδιο επίπεδο, το οποίο ονομάζεται "επίπεδο ταλάντωσης", ή αλλιώς "επίπεδο πόλωσης".
-Αν στο προηγούμενο σχήμα καθίσουμε ακριβώς "μπροστά" από το κύμα, έτσι ώστε το κύμα αυτό να πέφτει κάθετα πάνω στο μάτι μας(ή αλλιώς, αν κάτσουμε στην κορυφή του άξονα μετάδοσης), τι θα δούμε;
-Θα δούμε ένα κόκκινο βέλος (θυμηθείτε ότι αγνοήσαμε τα μπλε -το μαγνητικό πεδίο) το οποίο θα ανεβοκατεβαίνει, πότε δείχνοντας προς τα πάνω και πότε προς τα κάτω. Αυτό το βέλος δείχνει μεν την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, αλλά δείχνει και κάτι άλλο: αν στο σημείο που βρισκόμαστε υπήρχε ένα στοιχειώδες σωματίδιο (πχ ένα ηλεκτρόνιο) και πάνω του έπεφτε αυτό το κύμα, το σωματίδιο αυτό θα εξαναγκαζόταν από το κύμα να εκτελέσει μια ταλάντωση. Και πώς θα ήταν αυτή η ταλάντωση; Ναι, σωστά μαντέψατε, θα ήταν έτσι όπως δείχνει το κόκκινο βέλος, και μάλιστα με την ίδια συχνότητα που ανεβοκατεβαίνει το κόκκινο βέλος! Σαν να κάθεται το σωματίδιο πάνω στο κύμα και ανεβοκατεβαίνει, όπως ένας φελός στην επιφάνεια μιας λίμνης που κυματίζει Αυτό συμβαίνει στην πράξη (σε γενικές γραμμές) όταν φως πέφτει πάνω στν ύλη και αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο βλέπουμε: το ηλεκτρόνιο που τίθεται σε ταλάντωση από το συγεκριμένο κύμα, εκπέμπει και αυτό ένα ολόϊδιο κύμα με το αρχικό.

Δώστε βάση τώρα:
Επειδή το κόκκινο βέλος εκτελεί ταλάντωση πάνω σε μια γραμμή (κινείται πάνω σε έναν νοητό άξονα, δεν στρίβει αριστερά ή δεξιά κατά την ταλάντωση) λέμε ότι το συγκεκριμένο κύμα είναι γραμμικά πολωμένο. Επομένως, πόλωση είναι η ταλάντωση ενός κύματος σε μια προτιμητέα διεύθυνση (εν προκειμένω πάνω σε μια γραμμή). Η γραμμή πάνω στην οποία ταλαντώνεται το κύμα (ανεβοκατεβαίνει το βέλος) ονομάζεται άξονας πόλωσης του κύματος.

Εύλογα μπορεί να αναρωτηθείτε για ποιόν λόγο είναι τόσο σημαντικό αυτό το φαινόμενο..Ωραια, μερικά κύματα γουστάρουν να ταλαντώνονται πάνω σε μια γραμμή, μερικά άλλα γουστάρουν κάποια άλλη. Και σε τι μας βοηθάει αυτό;
Πολύ απλά, μόλις βρήκαμε έναν πολύ καλό τρόπο να ξεχωρίζουμε μεταξύ τους τα διάφορα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που σουλατσάρουν ελεύθερα στον κόσμο! Ας προσωρήσουμε όμως λίγο παραμέσα στα της πόλωσης, γιατί τα πράγματα στην πράξη δεν είναι και τόσο απλοϊκά

Όλα τα κύματα, πάντα, ταλαντώνονται γραμμικά, δηλαδή τα βέλη τους "κουνιούνται" κατά μήκος ενός νοητού άξονα. Επομένως όλα τα κύματα όταν παράγονται από τις ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων, είναι γραμμικά πολωμένα. Κάθε μεμονομένο κύμα, είναι γραμμικώς πολωμένο. Στον κόσμο μας όμως, δεν υπάρχει μόνο ένα κύμα, αλλά άπειρα! Μία και μοναδική ακτίνα φωτός αποτελείται από άπειρα κύματα, τα οποία είναι μεν γραμμικώς πολλωμένα, αλλά οι άξονες πόλωσής τους σχηματίζουν τυχαίες γωνίες μεταξύ τους. Έστω για παράδειγμα ότι έχουμε μαζεμένα κάμποσα ηλεκτρόνια τα οποία ταλαντώνονται. Τα ηλεκτρόνια αυτά, ακόμα κι αν ταλαντώνονται με την ίδια συχνότητα (το ίδιο "γρήγορα") δεν ταλαντώνονται κατά μήκος του ίδιου άξονα: άλλο μπορεί να κινείται πάνω-κάτω, άλλο αριστερά-δεξιά, άλλο διαγωνίως κοκ, με τυχαίες γωνίες μεταξύ τους. Τα ηλεκτρόνια αυτά ναι μεν όλα θα παράγουν κύματα γραμμικά πολωμένα, αλλά τα κύματα αυτά θα έχουν τους άξονες πόλωσής τους σε τυχαίες γωνίες. Δείτε την επόμενη εικόνα:



Εδώ βλέπουμε τους άξονες πόλωσης 4 κυμάτων. Το σημείο τομής τους είναι η διεύθυνση διάδοσης του συνολικού κύματος (της ακτίνας φωτός).
Τελικά, παρ'όλο που το φως που θα παράγεται από το συγκεκριμένο σύστημα ηλεκτρονίων θα αποτελείται από άπειρα στοιχειώδη κύματα, το καθένα από τα οποία είναι γραμμικώς πολωμένο, το τελικό φως θα είναι μη πολωμένο, αφού δεν θα μπορούμε να πούμε ότι το κύμα ταλαντώνεται κατά μήκος ενός συγκεκριμένου άξονα πόλωσης.

ΠΟΛΩΤΕΣ & ΤΡΟΠΟΙ ΠΟΛΩΣΗΣ
-Τεχνητοί τρόποι πόλωσης
Το φυσικό φως λοιπόν (όπως το φως του ήλιου) είναι μη πολωμένο. Υπάρχει παρ'όλ'αυτά τρόπος να μετατρέψουμε το μη πολωμένο φως σε πολωμένο, με άλλα λόγια να πάρουμε ένα συνισταμένο κύμα το οποίο ταλαντώνεται σε διάφορες τυχαίες διευθύνσεις και να το κάνουμε να ταλαντόνεται σε μία και μοναδική προτιμητέα διεύθυνση.

Ένας τεχνητός τρόπος για να γίνει αυτό είναι με είδικά υλικά τα οποία ονομάζονται "πολωτές" ή "φύλλα polaroid". Τα polaroid κατασκευάζονται έτσι ώστε τα άτομά τους να είναι διατεταγμένα με τέτοιον τρόπο που να παρουσιάζουν έναν "οπτικό άξονα", ή αλλιώς μια διεύθυνση στν οποία "επιτρέπεται" η ταλάντωση των προσπίπτοντων κυμάτων. Με λίγα λόγια, όταν φως πέσει πάνω στα πλακίδια polaroid, αυτά αφήνουν να περάσουν μόνο εκείνα τα κύματα που ταλαντώνονται παράλληλα με τον οπτικό άξονά τους (του φύλλου). Έτσι, το φως που βγαίνει από τους πολωτές είναι αναγκαστικα γραμμικά πολωμένο κατά την διεύθυνση του οπτικού τους άξονα.
Σχηματικά αυτό φαίνεται στην επόμενη εικόνα:




-Αν όμως πέσει ήδη πολωμένο φως πάνω σε φύλλο polaroid, τότε τι γίνεται;
-Όπως έγραψα και παραπάνω, ο πολωτής αφήνει να περάσουν μόνο τα κύματα εκείνα που είναι πολωμένα παράλληλα με τον άξονά του. Έτσι, ανάλογα με την γωνία που σχηματίζει ο άξονας πόλωσης του προσπίπτοντως κύματος με τον οπτικό άξονα του πολωτή, κάποιο ποσοστό της έντασης του προσπίπτοντως κύματος θα περάσει και κάποιο ποσοστό θα κοπεί, σύμφωνα με την σχέση:

Ένταση_τελική=Ένταση_αρχική*(cosθ)^2

όπου θ είναι η γωνία μεταξύ του άξονα πόλωσης και του οπτικού άξονα του πολωτή (δείτε το παρακάτω σχήμα):



Το κύμα που τελικά περνά από τον πολωτή είναι μικρότερης έντασης από το αρχικό και ο άξονας πόλωσής του είναι στραμμένος κατά γωνία θ σε σχέση με τον αρχικό (και φυσικά παράλληλος με τον οπτικό άξονα του πολωτή).
Από την παραπάνω εξίσωση είναι φανερό ότι αν θ=90 ή θ=270 μοίρες τότε Ένταση_τελική=0 που σημαίνει ότι αν το αρχικό κύμα είναι πολωμένο κατά 90 μοίρες σε σχέση με τον οπτικό άξονα του πολωτή, τότε ΔΕΝ διέρχεται φως!. Κάτι παρόμοιο κάνει το CP φίλτρο για να κόψει την ανάκλαση από ανακλαστικές επιφάνειες: πάνω του προσπίπτει πολωμένο φως και στρίβωντάς το επιλέγουμε τέτοια γωνία του οπτικού του άξονα με τον άξονα πολωσης του φωτός, ώστε να κοπεί το μέγιστο δυνατό φως που προέρχεται από την ανάκλαση.

-Φυσικοί τρόποι πόλωσης
Έστω ότι θέλουμε να φωτογραφήσουμε ένα κάδρο. Το φως πέφτει πάνω στο κρύσταλλο του κάδρου και δημιουργεί μια ενοχλητική ανάκλαση, η οποία δυστυχώς θα χαλάσει την φωτογραφία μας. Αν έχουμε πολωτικό φίλτρο, μπορούμε να στρέψουμε το φίλτρο έτσι ώστε να κόβει την ανάκλαση και να φτάνει στην μηχανή μας μόνο το φως από το περιεχόμενο του κάδρου.

-Γιατί όμως κόβεται μόνο το φως που προέρχεται από την ανάκλαση και όχι και το φως που προέρχεται από το ίδιο το κάδρο;
-Διότι το φως την ανάκλασης είναι πολωμένο (επομένως κόβεται από τον οπτικό άξονα του πολωτικού φίλτρου) και το φως που προέρχεται από το ίδιο το κάδρο ΔΕΝ είναι πολωμένο (επομένως δεν κόβεται από το πολωτικό φίλτρο, αλλά απλά βγαίνει από αυτό πολωμένο).

-Πιθανώς να ρωτήσετε τώρα (ειδικά αν είστε ανήσυχα πνεύματα ) "γιατί το ανακλώμενο φως είναι πολωμένο και το φως του κάδρου όχι";
-Αυτό συμβαίνει διότι όταν φυσικό, μη πολωμένο φως ανακλαστεί πάνω σε κάποια μη μεταλλική επιφάνεια, τότε αυτομάτως πολώνεται γραμμικά και μάλιστα με άξονα πόλωσης κάθετο στο επίπεδο της πρόσπτωσης:



Αριστερά φαίνεται η αρχική, μη πολωμένη δέσμη φωτός, η οποία διαθλάται και ανακλάται στην διαχωριστική επιφάνεια. Η ανακλώμενη δέσμη είναι πολωμένη (το κύμα ταλαντώνεται μέσα-έξω στην οθόνη, δηλαδή κάθετα στο επίπεδο της οθόνης, το οποίο και είναι το επίπεδο πρόσπτωσης) ενώ η διαθλώμενη όχι. Αν λοιπόν μπροστά από την φωτογραφική μας μηχανή τοποθετήσουμε έναν πολωτή, αυτός θα κόψει (όσο το δυνατόν περισσότερο) την ανακλώμενη ακτίνα

Αν φτάσατε μέχρι εδώ κάτω, δεν μπορώ να πω τίπτοα άλλο πέρα από μπράβο και χαρά στο κουράγιο σας !!

Να σημειώσω μόνο μερικά πραγματάκια ακόμη:
-Πέρα από την γραμμική πόλωση υπάρχει και η ελλιπτική και κυκλική. Τα δύο αυτά είδη πόλωσης είναι πιο περίπλοκα και πιο δύσκολα στην περιγραφή τους, μιας και απαιτούν μεγαλύτερο βαθμό αφαιρετικότητας από τον παρατηρητή. Εντελώς αποσπασματικά και σε συντομία να σας πω μόνο ότι κατά την κυκλική πόλωση τα κόκκινα βέλη στην πρώτη εικόνα περιστρέφονται γύρω από τον άξονα διάδοσης με σταθερή γωνιακή ταχύτητα. Αυτό συμβαίνει όταν το συνολικό κύμα αποτελείται από 2 συνιστάμενα κύματα τα οποία είναι γραμμικά πολωμένα, έχουν ίδια συχνότητα, διαδίδονται κατά την ίδια διεύθυνση αλλά έχουν διαφορά φάσης 90 μοίρες, δηλαδή όταν το ένα φτάνει στην μέγιστη τιμή του, τότε το άλλο φτάνει στην ελάχιστη.Σχηματικά αυτό μπορεί να παρασταθεί ως εξής:



Κάποιος παρατηρητής που βρίσκεται στο κέντρο του κύκλου, αντιλαμβάνεται την ταλάντωση του προσπίπτοντο κύματος σαν να περιστρέφεται διαγράφοντας τον κύκλο που φαίνεται.
Στην περίπτωση κυκλικού πολωτικού φίλτρου (circular polarizer - CP) τα φαινόμενα είναι αντίστοιχα στην περιγραφή, μόνο που διαφέρει η μικροσκοπική εξήγηση, αφού αλλάζει το είδος της πόλωσης.
http://www.dpgr.gr/forum/index.php?board=20;action=display;threadid=19073