Заметка о циркулярном поляризационном фильтре Pixco и поляризации вообще (ч. 2)

для раздела Блоги

Введение
В продолжение предыдущей заметки рассмотрим теперь спектральные характеристики использованых нами фильтров. Итак, в нашем опыте будeт учавствовать такие поляризационные фильтры: HOYA HRT CIR-PL 67 mm, Pixco CPL 74 mm и поляризационная пленка от некоего ноутбука HP.
Для начала немного теории. С точки зрения квантовой теории поля свет представляет из себя поток фотонов - безмассовых элементарных частиц, движущихся всегда со скоростью света с и обладающих целым спином ħ  а также определенной энергией, которая обратно пропорциональна длине волны E = h/λ (на счет спина мы подробнее остановимся ниже).
В предыдущей заметке мы выяснили, что "циркулярный" поляризационный фильтр дает свет с круговой поляризацией далеко не всегда, и с помощью простого SAMOLED-телефона, тестера и фоторезистора мы предположили, что для фильтра Pixco круговая поляризация будет для синего света (примерно 460-470 нм), а для HOYA - в области зеленого (620-630 нм). Нужно заметить, что видимый нами белый свет (например от лампы накаливания или солнца) - это совокупность фотонов всех длин волн, а белый свет дисплея телефона или монитора это совокупность фотонов с длинами волн группирующимися, восновном, вокруг красной, зеленой и синей областей спектра.
Существуют специальные приборы - спектрофотометры, которые позволяют проанализировать, фотоны какой длины волны анализируемое вещество поглащает более или менее интенсивно. Схематически устройство такого прибора можно изобразить примерно так: 
Свет от полихроматического источника (например, галогеновой лампы) проходит сквозь образец, затем из него щелью вырезается узкий пучек и раскладывается в спектр. Этот спектр попадает на диодный регистратор (похожий на фоточувствительную полоску от сканера), которая регистрирует, какого излучения в какой части спектра больше или меньше. Сравнивая спектр лампы и спектр света прошедьшего сквозь вещество мы получаем спектр образца. В спектрометрии используют понятие оптической плотности, мы и будем им пользоваться в дальнейшем.
Итак, квант света можно охарактеризовать длиной волны (или обратно пропорциональной ей частотой), а как же спин?
Очень грубо спин частицы можно представить как её вращение вокруг собственной оси, но очень быстрое (как пример, естественно очень грубый, можно представить себе очень быстро вращающуюся по часовой стрелке или против пулю). Часто говорят, что для электрона даже на очень небольшом радиусе вращение "оболочки" должно превышать скорость света. Хотя, конечно, никакой оболочки у электрона нет, его размер, как и у фотона (как я понимаю) нулевой - точечный, то есть проблема не в этом. Однако, физики все равно не рекомендуют так себе представлять спин, хотя, если "обстреливать" некий предмет (например, пенопластовый шарик подвешенный в вакууме) циркулярно поляризованым светом или электронами с заданым спином, то шарик начнет вращаться. То есть, аналогия с вращением очевидна, пусть это всего лишь аналогия.
Спин елементарных частиц может быль полуцелым или целым, то есть например ±1/2, ±1, 0. Елементарные частицы можно разделить на бозоны - частицы с целым спином и фермионы - частицы с полуцелым спином. Электрон, протон и нейтрон, а также нейтрино - фермионы (у всех ±1/2),  а фотон и бозон Хиггса - бозоны, со спинами ±1 и 0 соответственно. Если наблюдатель смотрит навстречу световому лучу, то правой поляризации соответствует "вращение" по часовой стрелке, а левой поляризации — против часовой стрелки.
Когда к нам прилетает фотон от Солнца, звезды или лампы накаливания, мы ничего не можем сказать про состояние его спина: +1 он будет или -1 - свет не поляризован. В линейно поляризованном свете мы можем быть уверены: все его фотоны обладают вероятностью быть обнаруженными в этих состояних с 50% вероятностью. В свете с правой круговой поляризацией все фотоны имеют спин +1. Вообще, правильнее говорить, что поляризация фотона это некая реализация кубита - суперпозиция двух состояний. Фотон одновременно и "левый" и "правый" до момента измерения ориентации его спина. Немного странным выглядит то, что, например, свет Солнца и линейно поляризованный свет дадут 50% "правых" фотонов и 50% левых. Поляризация отличается радикально, а вероятности ориентаций спинов нет (надеюсь на комментарии физиков).
Линейно поляризованный свет можно представить как совокупность равного количества правой и левой компоненты, а правый круговой как, соответственно двух ортогональных линейных, смещенных по фазе.
Правда, немного смущает? Получается, что базовые состояния поляризации сами по себе значения не имеют - хочешь, будут левая и правая, хочешь, две ортогональных линейных, а хочешь - вообще две эллиптических. Получается, сами по себе базовые состояния лишаются физического смысла, а физический смысл приобретают некие корреляции между этими состояниями.
Следует ли из этого, что наша реальность субъективна? Что все существует в нашем восприятии а не где-то еще?
- Да, черт побери, да!  ))
Тем кто не верит, отсылаю ко вполне научной философской статье Мамчур Е.А. Объективность науки и релятивизм: (К дискуссиям в современной эпистемологии). М.: ИФ РАН, 2004. или к совсем популярному фильму  Что такое реальность / BBC Horizon - What Is Reality? (2011 г)
Для нас сейчас важно, что из этого всего следует, что линейный анализатор пропустит через себя половину циркулярных фотонов при любом угле между фильтрами. В случае линейной поляризации анализатор пропустит разное количество света, от почти полного нуля, до начального значения интенсивности, а в случае эллиптической поляризации анализатор будет пропускать тоже разное количество света, но уже не 0 и 100%, а от некоего минимального до некоего максимального (скажем от 25 до 75%), согласно эллиптичности поляризации.
Еще следует заметить, что по причинам объясненным в первой части заметки, при разных длинах волн мы будем получать разную эллиптическую поляризацию - от очень узких эллипсов до кругов.
Эксперимент
Итак, эти же три фильтра мы проанализируем на спектрофотометре. Из его брошуры устройство не понятно, но можно предположить, что оно очень похоже на рисунок который приведен выше. Особенность состоит в том, что свет, который прошел сквозь образец скорее всего в дисперсионном устройстве линейно поляризуется (кстати, радуга очень хорошо поляризована, можете проверить). Таким образом второй, линейный поляризатор ("анализатор") у нас содержится в самом приборе.
В чем суть нашего эксперимента? Записываем спектры при разных углах поляризатора (каких имеено не могу сказать - нужно специальное крепление, поэтом делаем эксперимент качественно). Мы получим набор кривых, которые при некоторых длинах волн будут пересекаться - интенсивность прошедьшего света для любого угла не изменится. Значит в этих точках выполняется услувие циркулярной поляризации. В химии точки пересечения спектров двух веществ, которые переходят друг в друга называются изобестическими. Мы также будем использовать этот термин.
Итак, для начала фильтр HOYA HRT CIR-PL 67 mm. В предыдущей части мы оценили, что циркулярную поляризацию этот фильтр дает при примерно 620-630 нм. Посмотрим, что показали спектры: 626,5 нм! Неплохо. При этой длине волны мы получаем поток фотонов с определенной ориентацией спинов (спиральностью).
Вторым меряем изобестические точки фильтра Pixco CPL. 
Итак, здесь их уже две - при 490,9 и 706,2 нм. По всей видимости, инженеры этой компании пошли другим путем чем HOYA. Они уделили внимание синим и густо-красным тонам. Фотоаппарат с таким фильтром меньше всего будет испытывать проблем с автофокусом при сьемках неба и... чего-то красного)) Тогда как HOYA лучше всего подходит для листьев, травы, долларов))) одним словом, для более реальных ситуаций. Зачем небу автофокус?
Напоследок приведем вместе спектры HOYA HRT 68 mm, Pixco CPL 74 mm и поляризатора с диспледя ноутбука HP, на фоне спектров воздуха (для проверки что нулевая линия в приборе выставлена правильно) и стекла от сканера (для сравнения). Напомню, что чем ниже линия на спектре, тем ниже оптическая плотность, и, соответственно, выше прозрачность. Плотность 0,30 примерно соответствует 50% поглощению. плотность 1 - 90%-му поглощению, 2 - 99% и т.п.

Сразу предупрежу, что эти спектры поляризаторов выбраны из группы других просто потому что они наиболее "красивые". Я не гарантирую, что они сняты при 0° между осями поляризаторов и лучшего достить нельзя. У меня, по крайней мере, не получилось, т.к. фильтр просто сврободно стоял на ребре и возможности зафиксировать его не было, тем более померять угол. Но, тем не менее, в первом приближении эти спектры можно считать корректными.
Итак, что можно сказать: рабочий диапазон HOYA HRT немного уже в красной области спектра, зато гораздо ровнее в синей. Это довольно важная вещь, т.к. скрещенные поляризаторы часто пропускают немного синего света. Для этого фильтра характерен практически горизонтальный спектр, что будет сказываться на правильной светопередаче. Также, поляризатор HOYA HRT пропускает больше света, чем другие поляризаторы, а в ИК-области даже больше чем стекло от сканера (чего не скажешь о Pixco CPL).
Поляризатор Pixco CPL 74 mm показал в принципе не плохой спектр, я ожидал гораздо худьшего от такого дешевого фильтра. Если не учитывать немного "задраной" плотности в синей области (и незначительных дефектов гомогенности поляризующего слоя), то можно было бы сказать что его линейный поляризатор на неплохом уровне.
Очень странно, но пропускание поляризатора от ноутбука (с одним содранным слоем, то есть линейным поляризатором) не зависит от угла поворота этого фильтра. Обьяснить я это не могу, wellcome в комменты!
На этом собственно все, в третьей части я попытаюсь рассказать о более теоретических и филосовских вопросах..
Благодарности
За помощь в приобретении фильтра HOYA HRT 67 mm выражаю признательность Mona.
Большую помощь в обсуждении вопросов связанных с применением фильтров в фотографии, в частности, поляризационных и эффектах поляризации благодарю члена АЧЛ Алексея Ляховича (aka Kabym) и члена АЧЛ Александра Балабу за участие в обсуждении физического смысла поляризации.
Литература 
1. Вайнберг С "Свет как фундаментальная частица" УФН 120 677–689 (1976)
2. Вайнберг С "Единые теории взаимодействия элементарных частиц" УФН 118 505–521 (1976)
 
Telegram-канал @overclockers_news - это удобный способ следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают