Det er vanskeligt at skelne, hvem der først opdagede det polariseredeskinne. Gamle mennesker kunne bemærke en ejendommelig plet og se på himlen i bestemte retninger. Polarisering har mange underlige ting, manifesterer sig på forskellige livsområder, og i dag er det genstand for masseforskning og anvendelse, grunden til alt er Malus-loven.
Opdagelse af polariseret lys
Vikinger kan have brugt polariseringhimmel til navigation. Selv hvis de ikke gjorde det, så opdagede de bestemt Island og den vidunderlige kalksten. Islandsk spar (kalsit) var kendt selv i deres tider, det er Islands indbyggere, at det skylder sit navn. Mineralet blev engang brugt i navigation på grund af dets unikke optiske egenskaber. Han spillede en vigtig rolle i den moderne opdagelse af polarisering og er fortsat det foretrukne materiale til adskillelse af lysets polariseringskomponenter.
I 1669, en dansk matematiker fra KøbenhavnErasmus Bartholinus University så ikke kun et dobbelt lys, men gennemførte også nogle eksperimenter ved at skrive 60-siders memoarer. Dette var den første videnskabelige beskrivelse af polarisationseffekten, og forfatteren kan betragtes som pioner for denne fantastiske lysegenskab.
Christian Huygens har udviklet en pulsbølgeteorien om lys, som han udgav i 1690 i sin berømte bog Traite de la Lumiere. På samme tid avancerede Isaac Newton den corpuskulære teori om lys i sin bog Opticks (1704). Som et resultat var begge ret og forkert, fordi lys har en dobbelt karakter (bølge og partikel). Ikke desto mindre var Huygens tættere på det moderne syn på forståelsen af processen.
I 1801 gjorde Thomas Jung den berømteto-gap interferens eksperiment. Han beviste, at lys opfører sig som bølger, og superpositionen af bølger kan føre til mørke (destruktiv interferens). Han brugte sin teori til at forklare ting som Newtons ringe og de overnaturlige buer i regnbuen. Et gennembrud inden for videnskab fandt sted et par år senere, da Jung viste, at polarisering skyldes lysets tværgående bølge.
Den unge Etienne Louis Malus levede i en turbulent æra - i løbet aftiden for den franske revolution og terrorens regeringstid. Han deltog med hæren i Napoleon under invasionen af Egypten såvel som i Palæstina og Syrien, hvor han kontraherede pesten, der dræbte ham flere år senere. Men han formåede at yde et vigtigt bidrag til forståelsen af polarisering. Malus-loven, der forudsagde intensiteten af lys, der blev transmitteret gennem polarisatoren, blev en af de mest populære i det 21. århundrede, da der blev skabt flydende krystalskærme.
Sir David Brewster, en berømt videnskabsforfatter,studerede emner inden for optisk fysik, såsom dikroisme og absorptionsspektre, såvel som mere populære emner, såsom stereofotografering. Brewsters berømte sætning er kendt: "Alt er gennemsigtigt undtagen glas."
Han gav også et uvurderligt bidrag til studiet af lys:
- Lov, der beskriver "polarisationsvinklen."
- Opfindelsen af et kalejdoskop.
Brewster gentog eksperimenterne med Malus for mangeædelsten og andre materialer, der opdagede en afvigelse af glas og opdagede loven - "Brewster's hjørne." Ifølge ham "... når bjælken er polariseret, danner den reflekterede stråle en ret vinkel med den brydede stråle."
Polarisationsloven af Malus
Før du taler om polarisering, skal du førsthusk lyset. Lys er en bølge, selvom det undertiden er en partikel. Men under alle omstændigheder giver polarisering mening, hvis vi tænker på lys som en bølge, som en linje, når den bevæger sig fra lampen til øjnene. Mest lys er et blandet rod af lysbølger, der vibrerer i alle retninger. Denne vibrationsretning kaldes lyspolarisering. En polarisator er en enhed, der renser dette rod. Den accepterer alt, hvad der blander lys og kun slipper igennem lys, der vibrerer i en bestemt retning.
Formuleringen i Malus-loven lyder således:Når der kommer helt fladt polariseret lys ind i analysatoren, er intensiteten af det lys, der transmitteres af analysatoren, direkte proportional med kvadratet af cosinus for vinklen mellem analysatorens transmissionsakse og polarisatoren.
En tværgående elektromagnetisk bølge indeholder begge deleelektriske og magnetiske felter, og det elektriske felt i en lysbølge er vinkelret på udbredelsesretningen af lysbølgen. Retningen af lysvibrationen er den elektriske vektor E.
Til en konventionel upolariseret stråleden elektriske vektor fortsætter med at ændre sin retning tilfældigt, når lys passeres gennem polaroidet, det resulterende lys er plan polariseret med sin elektriske vektor vibrerende i en bestemt retning. Retningen af den nye strålevektor afhænger af polaroidens retning, og polariseringsplanet er designet som et plan, der indeholder E-vektoren og lysstrålen.
Figuren nedenfor viser fladt polariseret lys på grund af lodret EI og vandret EII.
Upolariseret lys passerer gennem Polaroid P1 og derefter gennem Polaroid P2 og danner en vinkel θ med y-akser. Efter lysudbredelse langs x-retningen passerer gennem Polaroid P1, vil den elektriske vektor, der er forbundet med det polariserede lys, kun vibrere langs y-aksen.
Nu hvis vi tillader dette polariseretstrålen passerer igen gennem den polariserede P2 og danner en vinkel θ med y-aksen, så hvis E 0 er amplituden af det indfaldende elektriske felt på P2, vil amplituden af bølgen, der kommer ud fra P2, være lig med E 0 cosθ og derfor intensiteten af den nye stråle vil være i overensstemmelse med Malus's lov (formel) I = I 0 cos 2 θ
hvor I 0 er intensiteten af strålen, der kommer ud af P2, når θ = 0 θ er vinklen mellem transmissionsplanene i analysatoren og polarisatoren.
Eksempel til beregning af lysintensitet
Malus lov: I 1 = I o cos 2 (q);
hvor q er vinklen mellem lyspolarisationsretningen og polarisatorens transmissionsakse.
Upolariseret lys med intensitet I o = 16W / m2 falder på et par polarisatorer. Den første polarisator har en transmissionsakse justeret 50 ° fra lodret. Den anden polarisator har en transmissionsakse justeret 20 ° fra lodret.
En test af Malus's lov kan udføres ved at beregne, hvad lysets intensitet er, når det kommer ud af den første polarisator:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
Lyset er ikke polariseret, så I 1 = 1/2 I o = 8 W / m 2.
Lysintensitet fra den anden polarisator:
I 2 = 4 W / m 2
I 2 = 8 cos 2 20 o
I 2 = 6 W / m 2
Dette efterfølges af Malus's lov, ordlydenhvilket bekræfter, at når lys forlader den første polarisator, er det lineært polariseret ved 50o. Vinklen mellem denne og transmissionsaksen for den anden polarisator er 30 °. Følgelig:
I 2 = I 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 W / m 2.
Nu falder den lineære polarisering af en lysstråle med en intensitet på 16 W / m2 på det samme par polarisatorer. Polariseringsretningen for det indfaldende lys er 20o fra lodret.
Lysets intensitet, der kommer ud af det første og udden anden polarisator. Når de passerer gennem hver polarisator, falder intensiteten 3/4 gange. Efter at have forladt den første polarisator er intensiteten 16 * 3/4 = 12 W / m 2 og falder til 12 * 3/4 = 9 W / m 2 efter at have passeret den anden.
Malus lovpolarisering siger, at for at dreje lys fra en retning af polarisering til en anden reduceres intensitetstabet ved at bruge flere polarisatorer.
Antag at du vil rotere polarisationsretningen 90cirka.
| N, antal polarisatorer | Vinklen mellem successive polarisatorer | og 1 / Jeg cirka |
| 1 | 90 cirka | 0 |
| 2 | 45 cirka | 1/2 x 1/2 = 1/4 |
| 3 | 30 cirka | 3/4 x 3/4 x 3/4 = 27/64 |
| H | 90 / N | [cos 2 (90 cirka / N)] H |
Beregning af Brewster refleksionsvinkel
Når lys rammer en overflade, er en del af lysetreflekteres, og en del trænger ind (bryder). Den relative mængde af denne refleksion og refraktion afhænger af de stoffer, der passerer gennem lyset, og også af den vinkel, hvormed lyset rammer overfladen. Der er en optimal vinkel, afhængigt af stofferne, der gør det muligt at bryde (trænge igennem) lys så meget som muligt. Denne optimale vinkel er kendt som den skotske fysiker David Brewsters vinkel.
Brewster-vinklen for normalt polariseret hvidt lys beregnes ved hjælp af formlen:
theta = arctan (n1 / n2),
hvor theta er Brewster-vinklen, og n1 og n2 er brydningsindekserne for de to medier.
At beregne den bedste vinkel for det maksimaleindtrængning af lys gennem glas - fra tabellen over brydningsindeks finder vi, at brydningsindekset for luft er 1,00, og brydningsindekset for glas er 1,50.
Brewster-vinklen er arctan (1,50 / 1,00) = arctan (1,50) = 56 grader (ca.).
Beregning af den bedste lysvinkel for maksimal vandindtrængning. Fra brydningsindeks-tabellen følger det, at indekset for luft er 1,00, og brydningsindekset for vand er 1,33.
Brewster-vinklen er arctan (1,33 / 1,00) = arctan (1,33) = 53 grader (ca.).
Anvendelse af polariseret lys
En almindelig mand på gaden forestiller sig ikke enganghvor intensivt polarisatorer bruges i verden. Polarisationen af lyset fra Malus 'lov omgiver os overalt. For eksempel populære genstande som Polaroid-solbriller og brugen af specielle polariserende filtre til kameralinser. Forskellige videnskabelige instrumenter bruger polariseret lys, der udsendes af lasere eller af polariserende glødelamper og fluorescerende kilder.
Polarisatorer bruges undertiden til belysningrum og scener for at reducere blænding og give mere ensartet belysning og som briller for at give en synlig dybdefølelse til 3D-film. Krydsede polarisatorer bruges endda i rumdragter til drastisk at reducere mængden af lys fra solen, der kommer ind i astronautens øjne, mens de sover.
Hemmeligheder ved optik i naturen
Hvorfor er himlen blå, rød solnedgang og hvidskyer? Alle kender disse spørgsmål fra barndommen. Malus 'og Brewsters love forklarer disse naturlige virkninger. Vores himmel er virkelig farverig takket være solen. Dens lyse hvide lys har alle regnbuens farver indvendigt inde: rød, orange, gul, grøn, blå, indigo og lilla. Under visse forhold møder en person enten en regnbue eller en solnedgang eller en grå sen aften. Himlen er blå på grund af "spredning" af sollys. Blå har en kortere bølgelængde og mere energi end andre farver.
Som et resultat absorberes blå selektivtluftmolekyler og derefter frigives igen i alle retninger. Andre farver er mindre spredte og derfor normalt ikke synlige. Middagsolen er gul og absorberer den blå. Ved solopgang eller solnedgang trænger sollyset ind i en lav vinkel og skal passere gennem en stor tykkelse af atmosfæren. Som et resultat er blå omhyggeligt spredt, så det meste absorberes fuldstændigt af luften, tabte og spredte andre farver, især orange og rød, hvilket skaber en strålende horisont af farver.
Sollysfarver er også ansvarlige for altnuancer, som vi elsker på jorden, det være sig grønt græs eller turkisblåt hav. Overfladen på hvert objekt vælger specifikke farver, som det vil reflektere for at skelne sig ud. Skyer er ofte skinnende hvide, fordi de er gode reflektorer eller diffusorer i enhver farve. Alle returnerede farver tilføjes til neutral hvid. Nogle materialer reflekterer alle farver jævnt, såsom mælk, kridt og sukker.
Værdien af polarisationsfølsomhed i astronomi
Lang tid på at studere Malus 'loveffektpolarisering i astronomi blev ignoreret. Starlight er næsten fuldstændig ikke-polariseret og kan bruges som standard. Tilstedeværelsen af polariseret lys i astronomi kan fortælle os om, hvordan lys blev skabt. I nogle supernovaer er det udsendte lys ikke upolariseret. Afhængigt af den del af stjernen, der overvejes, kan en anden polarisering ses.
Disse oplysninger om polarisering af lys fra forskellige regioner i tågen kunne give forskere en anelse om placeringen af den skyggefulde stjerne.
I andre tilfælde ved tilstedeværelsen af polariseret lysdet er muligt at afsløre information om hele den del af den usynlige galakse. En anden anvendelse af polarisationsfølsomme målinger i astronomi er at detektere tilstedeværelsen af magnetfelter. Ved at studere den cirkulære polarisering af meget specifikke farver af lys, der stammer fra solens korona, har forskere fundet ud af oplysninger om styrken af magnetfeltet på disse steder.
Optisk mikroskopi
Det polariserede lysmikroskop er designet tiltil observation og fotografering af prøver, der er synlige på grund af deres optisk anisotrope natur. Anisotrope materialer har optiske egenskaber, der ændrer sig med retning af formeringsretning af lys, der passerer gennem dem. For at udføre denne opgave skal mikroskopet være udstyret med både en polarisator placeret i lysstien et eller andet sted foran prøven og en analysator (anden polarisator) anbragt i den optiske sti mellem det objektive bageste hul og synsrørene eller kameraporten.
Anvendelser af polarisering i biomedicin
Denne populære trend i dag er baseret påpå det faktum, at der er mange forbindelser i vores kroppe, der er optisk aktive, dvs. de kan rotere polarisationen af det lys, der passerer gennem dem. Forskellige optisk aktive forbindelser kan rotere lysets polarisering i forskellige mængder og i forskellige retninger.
Nogle optisk aktive kemikaliertil stede i højere koncentrationer i de tidlige stadier af øjensygdomme. Læger kan potentielt bruge denne viden til at diagnosticere øjensygdomme i fremtiden. Man kan forestille sig, at lægen skinner en polariseret lyskilde ind i patientens øje og måler polariseringen af det lys, der reflekteres fra nethinden. Det bruges som en ikke-invasiv metode til test af øjensygdomme.
Gave fra vores tid - LCD-skærm
Hvis du ser nøje på LCD-skærmen, kan dubemærk, at billedet er et stort udvalg af farvede firkanter arrangeret i et gitter. I dem blev Malus 'lov anvendt, hvis fysik, hvor processen skabte betingelser, når hver firkant eller pixel har sin egen farve. Denne farve er en kombination af rødt, grønt og blåt lys ved hver intensitet. Disse primære farver kan gengive enhver farve, som det menneskelige øje kan se, fordi vores øjne er trikratiske.
Med andre ord tilnærmer de specifikke bølgelængder af lys ved at analysere intensiteten af hver af de tre farvekanaler.
Skærme udnytter kun denne fejlviser tre bølgelængder, der selektivt målretter mod hver type receptor. Den flydende krystallinske fase findes i grundtilstand, hvor molekylerne er orienteret i lagene, og hvert efterfølgende lag krøller let for at danne et spiralmønster.
LCD med syv segment flydende krystaldisplay:
- Positiv elektrode.
- Negativ elektrode.
- Polarisator 2.
- Skærm.
- Polarisator 1.
- Flydende krystal.
Her er LCD mellem to glasplader,som er udstyret med elektroder. LC er gennemsigtige kemiske forbindelser med "snoede molekyler" kaldet flydende krystaller. Fænomenet med optisk aktivitet i nogle kemikalier skyldes deres evne til at rotere planet for polariseret lys.
Stereopsis 3D-film
Polarisering tillader den menneskelige hjernefalsk 3D ved at analysere forskellene mellem to billeder. Mennesker kan ikke se i tre dimensioner, vores øjne kan kun se i todimensionelle billeder. Imidlertid kan vores hjerner finde ud af, hvor langt væk objekter er ved at analysere forskellene i, hvad hvert øje ser. Denne proces er kendt som Stereopsis.
Da vores hjerne kun kan se pseudo-3D,filmskabere kan bruge denne proces til at skabe en illusion af tre dimensioner uden at ty til hologrammer. Alle 3D-film fungerer ved at levere to fotografier, en til hvert øje. I 1950'erne var polarisering blevet den dominerende metode til billedseparation. Teatre begyndte at have to projektorer, der arbejdede samtidigt med en lineær polarisator over hver linse.
Til den nuværende generation af 3D-film, teknologiskiftet til cirkulær polarisering, som tager sig af orienteringsproblemet. Denne teknologi produceres i øjeblikket af RealD og tegner sig for 90% af 3D-markedet. RealD har frigivet et cirkulært filter, der skifter meget hurtigt mellem polaritet med uret og mod uret, så der bruges kun en projektor i stedet for to.
