PODSTAWY - O naturach światła, cz. II

[Tomek]

W tej części zajmiemy się falową naturą światła. Tym razem nie będziemy patrzyli na światło jako zbiór promieni świetlnych, a jako zwykłą falę elektromagnetyczną. Jej zachowanie wynika z czterech równań Maxwella - na rotacje i dywergencje natężeń pól - elektrycznego i magnetycznego. O co chodzi? Na szczęście to nieistotne. Podejdziemy do sprawy dużo prościej i będziemy się odwoływali do analogii z falami, które potrafimy "zobaczyć".

Bardzo ważna jest dla nas informacja, czy światło jest falą poprzeczną, czy podłużną. Fala podłużna to taka, w której wychylenie zachodzi równolegle do kierunku rozchodzenia się. Taką falą jest na przykład dźwięk - będący w uproszczeniu przesuwającymi się zgęstnieniami i rozrzedzeniami powietrza. Dobrym modelem takiej fali jest fala rozchodząca się w sprężynie. Weźmy długą sprężynę, umocujmy ją z jednej strony, a następnie trzymając z drugiej strony gwałtownie popchnijmy w stronę przymocowanego końca. Zobaczymy z boku przesuwające się w kierunku mocowania "zgęstnienie" sprężyny. To jest właśnie fala podłużna. Wyobraźmy sobie teraz sznurek zamocowany z jednej strony, i poruszamy nim szybko do góry i z powrotem. Na sznurku pojawia się "górka", która wędruje wzdłuż niego.
Można to zobaczyć na przykład tutaj (longitudinal = podłużna, transverse = poprzeczna). Światło jest falą poprzeczną.
Światło to jednak nie jest pojedyncze zaburzenie (pojedyncza "górka") a fala, która ma tych "górek" i "dołków" bardzo wiele. Powstaje nam fala w kształcie sinusoidy (czyli potocznie właśnie "fali"). Określamy kilka parametrów takiej fali - najważniejszym jest długość fali - jest to odległość między kolejnymi "górkami" (albo "dołkami" - wynosi on dokładnie tyle samo). Na podstawie tego parametru możemy określić inne - na przykład częstotliwość (ile razy w ciągu 1s przez dane miejsce przebiega "górka"). My jednak będziemy posługiwali się długością fali.

Nie każdą falę elektromagnetyczną określimy mianem światła. Dzieje się tak dlatego, że oko ludzkie po prostu widzi fale elektromagnetyczne o określonym zakresie długości. Część zakresu długości fal to fale rentgenowskie, radiowe, ultrafioletowe i podczerwone.


Nas interesuje tylko zakres widzalny:


Jak widać obejmuje on długości od mniej więcej 380nm (fiolet) do 780nm (czerwień). 1nm to jedna miliardowa metra. Stąd widzimy, że kolor światła jest determinowany przez długość fali. Proste wytłumaczenie, prawda? Jaką długość ma światło białe? Nie ma. Światło białe to mieszanina wszystkich długości fali. To światło jest "neutralne". Fakt, że obiekt jest np. czerwony oznacza, że odbija on tylko czerwone światło. Jeśli jest biały - odbija wszystkie długości fali, jeśli czarny - pochłania wszystkie. Jeśli oświetlamy przedmiot światłem czerwonym, to jeśli był czarny - będzie czarny. Jeśli niebieski - będzie czarny. Jeśli czerwony - czerwony. Jeśli biały - biały. Jeśli zaś oświetlimy ta same obiekty światłem białym, to przedmiot będzie miał zawsze taki sam kolor, jak pierwotnie. Warto zauważyć, że nie istnieje światło "czarne". Światło "czarne" to po prostu brak światła.
Zajmiemy się teraz konsekwencjami falowej natury światła w praktyce fotografa. Pierwsza z nich to aberracja chromatyczna, druga - dyfrakcja, trzecia - polaryzacja.

Każdy z nas widział kiedyś tęczę. Powstaje ona w wyniku rozszczepienia światła białego na kroplach wody, które zachowują się jak małe soczewki. Analogicznie dzieje się na pryzmacie:


Dlaczego? Okazuje się, że prędkość fali w danym ośrodku zależy od jej długości! Zjawisko takie nazywamy dyspersją. Ze zmiany prędkości fali wprost wynika zmiana współczynnika załamania! Stąd światło czerwone załamuje się mniej, a fioletowe bardziej. Jedne materiały mają większą dyspersję, inne mniejszą (np. dolny pryzmat). Soczewka zachowuje się bardzo podobnie do takiego pryzmatu. Powoduje niestety, że obraz "czerwonych" i "fioletowych" (i wszystkich innych) źródeł światła powstaje w nieco innym miejscu (tzw. aberracja chromatyczna podłużna) i nieco innej skali (tzw. aberracja chromatyczna poprzeczna). Przy pomocy specjalnych konstrukcji można aberrację chromatyczną korygować, ale nie zawsze udaje się to idealnie. A przyczyną jest właśnie dyspersja...

Dyfrakcja to zjawisko, które możemy zaobserwować także na wodzie. Fala po przejściu przez szczelinę zaczyna się rozchodzić koliście: http://www.youtube.com/watch?v=4EDr2YY9lyA, zwłaszcza jeśli szczelina jest wąska. Jest to dla nas problemem, gdy mocno przymykamy przysłonę - światło postępuje analogicznie - po przejściu przez szczelinę zaczyna rozchodzić się koliście, promienie świetlne się uginają, co niestety wpływa na ostrość obrazu... Zobaczmy teraz, do jakiego stopnia może to zachodzić, gdy mamy światło laserowe i zmieniającą się szczelinę:
http://www.youtube.com/watch?v=7CQxD-jE8oU
Zauważmy - im węższa szczelina, tym laser świeci szerzej!

Ostatnia kwestia, którą omówimy to polaryzacja. Dotyczy ona wyłącznie fal poprzecznych - jeśli wrócimy do przykładu ze sznurkiem, to fale poprzeczne mogą być w postaci np. góra-dół i lewo-prawo. Obie to fale poprzeczne, ale inaczej spolaryzowane. Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, by istniały fale spolaryzowane lewo/góra-prawo/dół (po ukosie). Tutaj po kolei przykłady fal podłużnych, poprzecznych "pionowych" i poprzecznych "poziomych":
http://www.youtube.com/watch?v=D_R9npMghB4
Wyobraźmy sobie teraz, sprężynę umieszczamy pomiędzy dwoma równoległymi drucikami, pozwalając jej poruszać się tylko góra-dół. Jeśli jegomość z lewej zacznie poruszać sprężyną góra-dół, to do jegomościa z prawej fala dotrze nienaruszona. Jeśli zaś będzie poruszał sprężyną prawo-lewo, to do jegomościa z prawej nic nie dotrze, bo druciki powstrzymają ruch sprężyny. Jeśli po ukosie - dotrze fala osłabiona, ale w polaryzacji góra-dół. Światło można polaryzować identycznie. Istnieją filtry podobne do gęstej kraty z takich "drucików" ułożonych równolegle. Przepuszczają one światło spolaryzowane wyłącznie w jednym kierunku, światło spolaryzowane "ukośnie" osłabiają (usuwają składową prostopadłą), a spolaryzowanego poprzecznie nie przepuszczą w ogóle.
Zwykłe źródła światła dają światło niespolaryzowane, to znaczy takie, które posiada fale we wszystkich kierunkach. Jedynymi wyjątkami we w miarę codziennym życiu są lasery i monitory LCD, które zawierają folię polaryzacyjną. Ale żarówki, słońce, świetlówki, diody to światło niespolaryzowane. Spolaryzujmy takie światło jednym polaryzatorem. Stracimy dokładnie jego połowę - tę spolaryzowaną prostopadle do kierunku polaryzatora. Weźmy teraz drugi polaryzator. Ustawiając go tak, jak pierwszy, niemal całość światła przechodzącego przez pierwszy polaryzator przejdzie i przez drugi. Jeśli zaś ustawimy go prostopadle - nie przeciśnie się ani odrobina światła.
http://www.youtube.com/watch?v=QgA6L2n476Y&NR=1

Jeśli mamy filtr polaryzacyjny, możemy tego spróbować w domu, na monitorze LCD:
http://www.youtube.com/watch?v=cEHoijt5wKg

Uwaga: jeśli posiadamy filtr polaryzacyjny kołowy, to musimy wiedzieć, że jest on zbudowany z polaryzatora i ćwierćfalówki, która "rozpolaryzowuje" światło. Stąd jeśli będziemy mieli filtr gwintem do siebie - będzie to działało. Jeśli gwintem od siebie - nie! Dlaczego? Po rozpolaryzowaniu światła skrzyżowanie polaryzatorów nic nie da

Zjawisko polaryzacji jest świetnie pokazane na mikrofalach na tym filmie:
http://www.youtube.com/watch?v=nCAKQQjfOvk

Po co nam ta cała polaryzacja? Okazuje się, że światło polaryzuje się nie tylko przy przejściu przez polaryzator, ale także przy odbiciu od powierzchni niemetalicznych. Stalowa miska, lustro to powierzchnie metaliczne, ale już woda, tworzywo sztuczne czy szkło to powierzchnie niemetaliczne. Polaryzacja przy odbiciu może być całkowita, jeśli światło pada pod tzw. kątem Brewstera. Światło padając np. na szkło częściowo się załamuje, a częściowo odbija. Kąt padania nazywamy kątem Brewstera wtedy, kiedy promień załamany jest prostopadły do obitego:


Wówczas promień odbity jest spolaryzowany dokładnie przeciwnie, niż załamany. Promień odbity ma polaryzację równoległą do powierzchni. Jeśli więc umiejętnie zastosujemy polaryzator na obiektywie, to możemy zlikwidować odblask ze szkła i "przejrzeć" przez nie. Polaryzator stosuje się też do podkreślenia koloru nieba - światło polaryzuje się na cząsteczkach unoszących się w powietrzu, natomiast światło odbite od chmur już nie w takim stopniu, co zwiększa kontrast nieba i obniża jego ogólną jasność. Świetnym zastosowaniem polaryzatorów są okulary przeciwsłoneczne - okulary polaryzacyjne polecam zwłaszcza kierowcom - przy ostrym słońcu i zwłaszcza lekko mokrej jezdni likwidują odblask od niej

Jest jeszcze jedna drobna techniczna rzecz dotycząca falowej natury światła w fotografii. Jak pisałem, światło przechodząc z powietrza do szkła nie tylko się załamuje, ale też częściowo odbija. Jest to ogromny problem w wielosoczewkowych obiektywach, gdyż światło odbite pogarsza kontrast i powoduje odblaski. Stąd stosuje się na szkle tzw. powłoki przeciwodblaskowe. Jest to bardzo cienka powłoka na szkle, która ma długość dokładnie połowy długości fali, którą ma wygaszać. Światło odbijając się przy początku tej powłoki będzie przesunięte o dokładnie połowę długości fali - stąd "górki" jednej fali spotkają się z "dołkami" drugiej, dzięki czemu całkowicie wygaszą się odbicia. Problem w tym, że mamy różne długości fal - stąd obecnie stosuje się prawie wyłącznie wielowarstwowe powłoki przeciwodblaskowe.