Il est difficile de distinguer qui a découvert le premier polarisééclat. Les anciens pouvaient remarquer un endroit particulier, regardant le ciel dans certaines directions. La polarisation a de nombreuses bizarreries, se manifeste dans différents domaines de la vie, et elle fait aujourd'hui l'objet de recherches et d'applications de masse, la raison de tout étant la loi de Malus.
Découverte de la lumière polarisée
Les Vikings ont peut-être utilisé la polarisationciel pour la navigation. Même s'ils ne l'ont pas fait, ils ont définitivement découvert l'Islande et la merveilleuse pierre de calcite. Le spath islandais (calcite) était connu même à leur époque, c'est aux habitants de l'Islande qu'il doit son nom. Le minéral était autrefois utilisé en navigation en raison de ses propriétés optiques uniques. Il a joué un rôle majeur dans la découverte moderne de la polarisation et continue d'être le matériau préféré pour la séparation des composantes de polarisation de la lumière.
En 1669, un mathématicien danois de CopenhagueL'université Erasmus Bartholinus a non seulement vu une double lumière, mais a également mené des expériences en écrivant des mémoires de 60 pages. Ce fut la première description scientifique de l'effet de polarisation, et l'auteur peut être considéré comme le pionnier de cette étonnante propriété de la lumière.
Christian Huygens a développé une onde de poulsla théorie de la lumière, qu'il publie en 1690 dans son célèbre livre Traite de la Lumière. Dans le même temps, Isaac Newton a avancé la théorie corpusculaire de la lumière dans son livre Opticks (1704). En conséquence, les deux avaient raison et tort, car la lumière a une double nature (onde et particule). Néanmoins, Huygens était plus proche de la vision moderne de la compréhension du processus.
En 1801, Thomas Jung a fait le célèbreexpérience d'interférence à deux intervalles. Il a prouvé que la lumière se comporte comme des vagues et que la superposition des vagues peut conduire à l'obscurité (interférence destructrice). Il a utilisé sa théorie pour expliquer des choses comme les anneaux de Newton et les arcs surnaturels de l'arc-en-ciel. Une percée scientifique s'est produite quelques années plus tard, lorsque Jung a montré que la polarisation était due à la nature ondulatoire de la lumière.
Le jeune Etienne Louis Malus a vécu une époque mouvementée - pendantle temps de la révolution française et le règne de la terreur. Il a participé avec l'armée de Napoléon lors de l'invasion de l'Égypte, ainsi qu'en Palestine et en Syrie, où il a contracté la peste qui l'a tué plusieurs années plus tard. Mais il a réussi à apporter une contribution importante à la compréhension de la polarisation. La loi de Malus, qui prédit l'intensité de la lumière transmise par le polariseur, est devenue l'une des plus populaires du 21e siècle lors de la création d'écrans à cristaux liquides.
Sir David Brewster, écrivain scientifique renommé,étudié des sujets de physique optique, tels que le dichroïsme et les spectres d'absorption, ainsi que des sujets plus populaires, tels que la photographie stéréo. La célèbre phrase de Brewster est connue: "Tout est transparent sauf le verre."
Il a également apporté une contribution inestimable à l'étude de la lumière:
- Loi décrivant «l'angle de polarisation».
- L'invention d'un kaléidoscope.
Brewster a répété les expériences de Malus pour beaucouppierres précieuses et autres matériaux, détectant une anomalie de verre, et découvert la loi - "Le coin de Brewster." Selon lui, "... lorsque le faisceau est polarisé, le faisceau réfléchi forme un angle droit avec le faisceau réfracté".
La loi de polarisation de Malus
Avant de parler de polarisation, vous devez d'abordsouviens-toi de la lumière. La lumière est une onde, bien qu'elle soit parfois une particule. Mais en tout cas, la polarisation prend tout son sens si l'on imagine la lumière comme une onde, comme une ligne lorsqu'elle passe de la lampe aux yeux. La plupart de la lumière est un mélange d'ondes lumineuses qui oscillent dans toutes les directions. Cette direction d'oscillation est appelée polarisation de la lumière. Un polariseur est un appareil qui nettoie ce gâchis. Il accepte tout ce qui mélange la lumière et ne transmet que la lumière qui oscille dans une direction particulière.
Le libellé de la loi Malus est le suivant:lorsque de la lumière polarisée complètement plate tombe sur l'analyseur, l'intensité de la lumière transmise par l'analyseur est directement proportionnelle au carré du cosinus de l'angle entre les axes de transmission de l'analyseur et du polariseur.
L'onde électromagnétique transversale contient commeun champ électrique et un champ magnétique, et un champ électrique dans une onde lumineuse est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde lumineuse. La direction des vibrations lumineuses est le vecteur électrique E.
Pour un faisceau non polarisé conventionnelle vecteur électrique continue de changer de direction de manière aléatoire, lorsque la lumière est transmise à travers un polaroid, la lumière résultante est polarisée en plan avec son vecteur électrique vibrant dans une certaine direction. La direction du vecteur du faisceau émergent dépend de l'orientation du polaroïde et le plan de polarisation est conçu comme un plan contenant le vecteur E et le faisceau lumineux.
La figure ci-dessous montre une lumière polarisée plate due au vecteur vertical EI et au vecteur horizontal EII.
La lumière non polarisée passe à travers le Polaroid P1, puis à travers le Polaroid P 2, formant un angle θ avec y ax-s. Après que la lumière se déplaçant le long de la direction x passe par le Polaroid P 1, le vecteur électrique associé à la lumière polarisée ne vibrera que le long de l'axe y.
Maintenant, si nous permettons à cette polarisationle faisceau traverse à nouveau P 2 polarisé, formant un angle θ avec l'axe y, puis si E 0 est l'amplitude du champ électrique incident sur P 2, alors l'amplitude de l'onde émergeant de P 2 sera E 0 cosθ et, par conséquent, l'intensité de l'émergence sera selon la loi de Malus (formule) I = I 0 cos 2 θ
où I 0 est l'intensité du faisceau sortant de P 2 lorsque θ = 0 θ est l'angle entre les plans de transmission de l'analyseur et le polariseur.
Exemple de calcul d'intensité lumineuse
Loi Malus: I 1 = I o cos 2 (q);
où q est l'angle entre la direction de polarisation de la lumière et l'axe de transmission du polariseur.
Lumière non polarisée avec une intensité I o = 16W / m 2 tombe sur une paire de polariseurs. Le premier polariseur a un axe de transmission aligné à 50o de la verticale. Le deuxième polariseur a un axe de transmission aligné à une distance de 20 ° de la verticale.
La vérification de la loi de Malus peut se faire en calculant quelle est l'intensité lumineuse lorsqu'elle provient du premier polariseur:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
La lumière n'est pas polarisée, donc I 1 = 1/2 I o = 8 W / m 2.
Intensité lumineuse du deuxième polariseur:
I 2 = 4 W / m 2
I 2 = 8 cos 2 20 o
I 2 = 6 W / m 2
Ce qui suit suit la loi Malius, libelléce qui confirme que lorsque la lumière quitte le premier polariseur, elle est polarisée linéairement à 50 °. L'angle entre celui-ci et l'axe de transmission du deuxième polariseur est de 30 °. Par conséquent:
I 2 = I 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 W / m 2.
Or la polarisation linéaire d'un faisceau lumineux d'une intensité de 16 W / m 2 tombe sur la même paire de polariseurs. La direction de polarisation de la lumière incidente est à 20o de la verticale.
L'intensité de la lumière émergeant du premier et dudeuxièmes polariseurs. En passant par chaque polariseur, l'intensité diminue de 3/4 fois. Après avoir quitté le premier polariseur, l'intensité est de 16 * 3/4 = 12 W / m 2 et diminue à 12 * 3/4 = 9 W / m 2 après avoir traversé le second.
La polarisation de la loi de Malus dit que pour la rotation de la lumière d'une direction de polarisation à l'autre, la perte d'intensité est réduite en utilisant plus de polariseurs.
Supposons que vous deviez faire pivoter la direction de polarisation de 90à propos de.
| N, le nombre de polariseurs | Angle entre polariseurs consécutifs | Et 1 / Et à propos de |
| 1 | 90 à propos de | 0 |
| 2 | 45 à propos de | 1/2 x 1/2 = 1/4 |
| 3 | 30 à propos de | 3/4 x 3/4 x 3/4 = 27/64 |
| N | 90 / N | [cos 2 (90 à propos de / N)] N |
Calcul de l'angle de réflexion de Brewster
Lorsque la lumière frappe la surface, une partie de la lumièreréfléchi et une partie pénètre (réfracte). La quantité relative de cette réflexion et de cette réfraction dépend des substances qui traversent la lumière, ainsi que de l'angle auquel la lumière frappe la surface. Il existe un angle optimal, selon les substances, qui permet à la lumière de se réfracter (pénétrer) autant que possible. Cet angle optimal est connu sous le nom d'angle du physicien écossais David Brewster.
Le calcul de l'angle de Brewster pour la lumière blanche polarisée ordinaire est effectué selon la formule:
thêta = arctan (n1 / n2),
où thêta est l'angle de Brewster et n1 et n2 sont les indices de réfraction de deux milieux.
Pour calculer le meilleur angle pour un maximumpénétration de la lumière à travers le verre - à partir du tableau des indices de réfraction, nous constatons que l'indice de réfraction de l'air est de 1,00 et que l'indice de réfraction du verre est de 1,50.
L'angle de Brewster est arctan (1,50 / 1,00) = arctan (1,50) = 56 degrés (environ).
Calcul du meilleur angle de lumière pour une pénétration maximale dans l'eau. Il ressort du tableau des indices de réfraction que l'indice de l'air est de 1,00 et que l'indice de réfraction de l'eau est de 1,33.
L'angle de Brewster est arctan (1,33 / 1,00) = arctan (1,33) = 53 degrés (environ).
Application de lumière polarisée
Un simple profane n'imagine même pascombien de polariseurs sont utilisés dans le monde. La polarisation de la lumière de la loi de Malus nous entoure partout. Par exemple, des choses populaires comme les lunettes de soleil Polaroid, ainsi que l'utilisation de filtres polarisants spéciaux pour les objectifs de l'appareil photo. Divers instruments scientifiques utilisent la lumière polarisée émise par des lasers ou par des lampes à incandescence polarisantes et des sources fluorescentes.
Les polariseurs sont parfois utilisés pour l'éclairage.des pièces et des scènes pour réduire l'éblouissement et fournir un éclairage plus uniforme et comme des lunettes pour donner une impression de profondeur visible aux films en trois dimensions. Les polariseurs croisés sont même utilisés dans les combinaisons spatiales pour réduire considérablement la lumière du soleil tombant dans les yeux de l'astronaute pendant le sommeil.
Secrets de l'optique dans la nature
Pourquoi ciel bleu, coucher de soleil rouge et blancdes nuages? Ces questions sont connues de tous depuis l'enfance. Les lois de Malus et de Brewster clarifient ces effets naturels. Notre ciel est vraiment coloré, grâce au soleil. Sa lumière blanche brillante a toutes les couleurs de l'arc-en-ciel intégrées à l'intérieur: rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. Sous certaines conditions, une personne rencontre soit un arc-en-ciel, soit un coucher de soleil, soit un gris tard le soir. Le ciel est bleu en raison de la "diffusion" de la lumière du soleil. La couleur bleue a une longueur d'onde plus courte et une énergie plus grande que les autres couleurs.
En conséquence, le bleu est sélectivement absorbé.molécules d'air, puis se détache à nouveau dans toutes les directions. D'autres couleurs sont moins dispersées et donc généralement pas visibles. Le soleil de midi a une couleur jaune, ayant absorbé sa couleur bleue. Au lever ou au coucher du soleil, la lumière du soleil pénètre à un angle faible et doit traverser la plus grande épaisseur de l'atmosphère. En conséquence, la couleur bleue est soigneusement dispersée, de sorte que la majeure partie est complètement absorbée par l'air, d'autres couleurs sont perdues et dispersées, en particulier l'orange et le rouge, créant un horizon glorieux de couleurs.
Les couleurs du soleil sont également responsables de toutles nuances que nous aimons sur Terre, que ce soit l'herbe verte ou l'océan turquoise. La surface de chaque objet sélectionne des couleurs spécifiques qu'il réfléchira afin de se distinguer. Les nuages sont souvent d'un blanc brillant car ils sont d'excellents réflecteurs ou diffuseurs de toutes les couleurs. Toutes les couleurs retournées sont ajoutées au blanc neutre ensemble. Certains matériaux reflètent uniformément toutes les couleurs, comme le lait, la craie et le sucre.
L'importance de la sensibilité à la polarisation en astronomie
Étude de longue date de la loi de l'effet Malusla polarisation en astronomie a été ignorée. La lumière des étoiles est presque complètement polarisée et peut être utilisée comme standard. La présence de lumière polarisée en astronomie peut nous dire comment la lumière a été créée. Dans certaines supernovae, la lumière émise n'est pas non polarisée. Selon la partie de l'étoile envisagée, une polarisation différente peut être observée.
Ces informations sur la polarisation de la lumière provenant de différentes régions de la nébuleuse peuvent donner aux chercheurs un indice sur l'emplacement de l'étoile ombrée.
Dans d'autres cas, par la présence de lumière polarisée.Vous pouvez révéler des informations sur toute la partie d'une galaxie invisible. Une autre utilisation des mesures sensibles à la polarisation en astronomie est de détecter la présence de champs magnétiques. En étudiant la polarisation circulaire de couleurs très spécifiques de la lumière émanant de la couronne du soleil, les scientifiques ont découvert des informations sur la force du champ magnétique à ces endroits.
Microscopie optique
Microscope à lumière polarisée conçupour observer et photographier des échantillons visibles en raison de leur nature optiquement anisotrope. Les matériaux anisotropes ont des propriétés optiques qui changent avec la direction de propagation de la lumière qui les traverse. Pour accomplir cette tâche, le microscope doit être équipé à la fois d'un polariseur situé sur le chemin de la lumière quelque part devant l'échantillon et d'un analyseur (deuxième polariseur) placé dans le chemin optique entre l'ouverture arrière de l'objectif et les tubes de visée ou le port de la caméra.
L'utilisation de la polarisation en biomédecine
Cette tendance est populaire aujourd'hui.sur le fait que dans notre corps, il existe de nombreux composés optiquement actifs, c'est-à-dire qu'ils peuvent faire tourner la polarisation de la lumière qui les traverse. Divers composés optiquement actifs peuvent faire tourner la polarisation de la lumière en différentes quantités et dans différentes directions.
Certains produits chimiques optiquement actifsprésent à des concentrations plus élevées dans les premiers stades de la maladie oculaire. Les médecins peuvent potentiellement utiliser ces connaissances pour diagnostiquer les maladies oculaires à l'avenir. On peut imaginer que le médecin brille avec une source de lumière polarisée dans l'œil du patient et mesure la polarisation de la lumière réfléchie par la rétine. Il est utilisé comme méthode non invasive pour tester les maladies oculaires.
Présent du présent - écran LCD
Si vous regardez attentivement l'écran LCD, vous pouveznotez que l'image est un grand tableau de carrés colorés disposés en grille. En eux, la loi de Malus a trouvé une application, dont la physique du processus a créé les conditions où chaque carré ou pixel a sa propre couleur. Cette couleur est une combinaison de lumière rouge, verte et bleue à chaque intensité. Ces couleurs primaires peuvent reproduire n'importe quelle couleur que l'œil humain peut voir, car nos yeux sont trichromatiques.
En d'autres termes, ils se rapprochent des longueurs d'onde spécifiques de la lumière en analysant l'intensité de chacun des trois canaux de couleur.
Les écrans utilisent cet inconvénient, uniquementaffichant trois longueurs d'onde qui ciblent sélectivement chaque type de récepteur. La phase de cristal liquide existe à l'état fondamental, dans lequel les molécules sont orientées dans les couches, et chaque couche suivante est légèrement tordue pour former un motif en spirale.
LCD avec affichage à cristaux liquides à sept segments:
- Electrode positive.
- Électrode négative.
- Polariseur 2.
- Affichage.
- Polariseur 1.
- Liquide Crystal.
Ici, l'écran LCD est entre deux plaques de verre,qui sont équipés d'électrodes. Les LC sont des composés chimiques transparents avec des «molécules torsadées» appelées cristaux liquides. Le phénomène d'activité optique de certains produits chimiques est dû à leur capacité à faire tourner le plan de la lumière polarisée.
Films 3D stéréoscopiques
La polarisation permet au cerveau humainfaux 3D en analysant les différences entre deux images. Les humains ne peuvent pas voir en trois dimensions; nos yeux ne peuvent voir que dans des images en deux dimensions. Cependant, notre cerveau peut déterminer à quelle distance se trouvent les objets en analysant les différences dans ce que voit chaque œil. Ce processus est connu sous le nom de Stereopsis.
Puisque notre cerveau ne peut voir que la pseudo 3D,Les cinéastes peuvent utiliser ce processus pour créer l'illusion de trois dimensions sans recourir aux hologrammes. Tous les films 3D fonctionnent en fournissant deux photographies, une pour chaque œil. Dans les années 1950, la polarisation était devenue la méthode dominante de séparation d'images. Les théâtres ont commencé à avoir deux projecteurs fonctionnant simultanément, avec un polariseur linéaire au-dessus de chaque objectif.
Pour la génération actuelle de films 3D, la technologiecommuté en polarisation circulaire, qui prend en charge le problème d'orientation. Cette technologie est actuellement produite par RealD et représente 90% du marché 3D. RealD a publié un filtre circulaire qui bascule très rapidement entre la polarisation dans le sens horaire et antihoraire, de sorte qu'un seul projecteur est utilisé au lieu de deux.
