Teško je razlikovati tko je prvi otkrio polariziranesjaj. Drevni ljudi mogli su primijetiti neobično mjesto, gledajući nebo u određenim smjerovima. Polarizacija ima mnogo zamišljanja, očituje se na različitim područjima života, a danas je ona predmet masovnog istraživanja i primjene, razlog svega je zakon Malusa.
Otkrivanje polarizirane svjetlosti
Vikinzi su možda koristili polarizacijunebo za navigaciju. Čak i da nisu, onda su definitivno otkrili Island i prekrasan kamen iz kalcita. Islandski špaler (kalcit) bio je poznat još u svoje vrijeme, stanovnici Islanda duguju njegovo ime. Mineral se nekoć koristio u plovidbi zbog svojih jedinstvenih optičkih svojstava. Igrao je veliku ulogu u modernom otkriću polarizacije i dalje je preferirani materijal za odvajanje polariziranih komponenti svjetlosti.
1669. danski matematičar iz KopenhagenaSveučilište Erasmus Bartholinus ne samo da je ugledalo dvostruko svjetlo, već je i izvršilo neke eksperimente pišući memoare na 60 stranica. To je bio prvi znanstveni opis efekta polarizacije, a autor se može smatrati začetnikom ovog nevjerojatnog svojstva svjetlosti.
Christian Huygens razvio je pulsni valteorija svjetlosti, koju je objavio 1690. godine u svojoj čuvenoj knjizi Traite de la Lumiere. Istodobno, Isaac Newton u svojoj je knjizi Opticks (1704) napredovao korpuskularnu teoriju svjetlosti. Kao rezultat toga, oboje su bili u pravu i u krivu, jer svjetlost ima dvostruku prirodu (val i čestica). Unatoč tome, Huygens je bio bliži modernom pogledu razumijevanja procesa.
1801. Thomas Jung napravio je slavnopokus ometanja s dva proreza. Dokazano je da se svjetlost ponaša poput valova, a superpozicija valova može dovesti do tame (destruktivne smetnje). Svojom je teorijom objasnio stvari poput Newtonovih prstenova i natprirodnih duginih lukova. Proboj u znanosti dogodio se nekoliko godina kasnije kada je Jung pokazao da polarizacija proizlazi iz poprečne valovne prirode svjetlosti.
Mladi Etienne Louis Malus živio je u burnoj eri - tijekomdoba francuske revolucije i vladavine terora. Sudjelovao je s Napoleonovom vojskom tijekom invazije na Egipat, kao i u Palestini i Siriji, gdje je zarazio kugu koja ga je ubila nekoliko godina kasnije. Ali uspio je dati važan doprinos razumijevanju polarizacije. Malusov zakon, koji je predvidio intenzitet svjetlosti koji se prenosi putem polarizatora, postao je jedan od najpopularnijih u 21. stoljeću prilikom stvaranja zaslona s tekućim kristalima.
Sir David Brewster, poznati znanstveni pisac,proučavao je predmete optičke fizike poput dikroizma i apsorpcijskog spektra, kao i popularnije predmete poput stereofinske fotografije. Fraza poznatog Brewstera: "Sve je prozirno, osim stakla".
Također je dao neprocjenjiv doprinos proučavanju svjetlosti:
- Zakon koji opisuje "polarizacijski kut".
- Izum kaleidoskopa.
Brewster je ponovio Malusove eksperimente za mnogedrago kamenje i drugi materijali, otkrivši anomaliju stakla i otkrivši zakon - "Brewsterov kut". Prema njegovim riječima, "... kad je zraka polarizirana, odbijena zraka tvori pravi kut s lomljenom zrakom."
Malusov zakon polarizacije
Prije nego što razgovarate o polarizaciji, prvo moratesjetite se svjetla. Svjetlost je val, iako je ponekad čestica. Ali u svakom slučaju, polarizacija ima smisla ako svjetlost zamišljamo kao val, kao liniju koja putuje od svjetiljke do očiju. Većina svjetlosti je miješani nered svjetlosnih valova koji vibriraju u svim smjerovima. Ovaj smjer vibracija naziva se polarizacija svjetlosti. Polarizator je uređaj koji čisti ovaj nered. Prihvaća sve što miješa svjetlost i propušta samo svjetlost koja vibrira u jednom određenom smjeru.
Tekst zakona Malus zvuči ovako:Kad na analizator upada potpuno ravna polarizirana svjetlost, intenzitet svjetlosti koju prenosi analizator izravno je proporcionalan kvadratu kosinusa kuta između prijenosnih osi analizatora i polarizatora.
Poprečni elektromagnetski val sadrži obojeelektrična i magnetska polja, a električno polje u svjetlosnom valu je okomito na smjer širenja svjetlosnog vala. Smjer svjetlosnih vibracija je električni vektor E.
Za konvencionalnu nepolariziranu greduelektrični vektor i dalje mijenja svoj smjer nasumično, kad svjetlost prolazi kroz polaroid, rezultirajuća svjetlost je polarizirana ravninom, a njen električni vektor vibrira u određenom smjeru. Smjer vektora nadolazeće zrake ovisi o orijentaciji polaroida, a ravnina polarizacije projektirana je kao ravnina koja sadrži E-vektor i svjetlosnu zraku.
Donja slika prikazuje ravnu polariziranu svjetlost zbog vertikalnog EI i vodoravnog EII.
Nepolarizirana svjetlost prolazi kroz polaroid P1, a zatim kroz polaroid P 2, tvoreći kut θ s y ax-s. Nakon što svjetlost koja se širi duž smjera x prođe kroz polaroid P 1, električni vektor povezan s polariziranom svjetlošću vibrirat će samo duž y osi.
Sad ako dopustimo ovo polariziranosnop opet prolazi kroz polarizirani P 2, tvoreći kut θ s osi y, tada, ako je E 0 amplituda upadnog električnog polja na P 2, tada će amplituda vala koji izlazi iz P 2 biti jednaka E 0 cosθ i, prema tome, intenzitet zrake koja izlazi bit će prema Malusovom zakonu (formula) I = I 0 cos 2 θ
gdje je I 0 intenzitet zrake koja izlazi iz P 2 kada je θ = 0 θ kut između prijenosnih ravnina analizatora i polarizatora.
Primjer za izračunavanje intenziteta svjetlosti
Malusov zakon: I 1 = I o cos 2 (q);
gdje je q kut između smjera polarizacije svjetlosti i prijenosne osi polarizatora.
Nepolarizirana svjetlost intenziteta I o = 16W / m2 pada na par polarizatora. Prvi polarizator ima os prijenosnika poravnat 50 stupnjeva od okomice. Drugi polarizator ima prijenosnu os poravnatu 20 ° od okomice.
Test Malusova zakona može se izvršiti izračunavanjem koliki je intenzitet svjetlosti kad izlazi iz prvog polarizatora:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
Svjetlost nije polarizirana, pa je I 1 = 1/2 I o = 8 W / m 2.
Intenzitet svjetlosti iz drugog polarizatora:
I 2 = 4 W / m 2
I 2 = 8 cos 2 20 o
I 2 = 6 W / m 2
Nakon toga slijedi Malusov zakon, formulacijašto potvrđuje da kada svjetlost izlazi iz prvog polarizatora, linearno je polarizirana na 50o. Kut između ove i prijenosne osi drugog polarizatora je 30 °. Slijedom toga:
I 2 = I 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 W / m 2.
Sada linearna polarizacija svjetlosne zrake s intenzitetom od 16 W / m2 pada na isti par polarizatora. Smjer polarizacije upadne svjetlosti je 20o od okomice.
Intenzitet svjetlosti koja izlazi iz prve i izlazidrugi polarizatori. Prolazeći kroz svaki polarizator, intenzitet se smanjuje 3/4 puta. Nakon napuštanja prvog polarizatora, intenzitet je 16 * 3/4 = 12 W / m 2 i smanjuje se na 12 * 3/4 = 9 W / m 2 nakon prolaska kroz drugi.
Malusov polarizacija zakona kaže da se za okretanje svjetlosti iz jednog smjera polarizacije u drugi gubitak intenziteta smanjuje upotrebom više polarizatora.
Pretpostavimo da želite okrenuti smjer polarizacije za 90oko.
| N, broj polarizatora | Kut između uzastopnih polarizatora | i 1 / I oko |
| 1 | 90 oko | 0 |
| 2 | 45 oko | 1/2 x 1/2 = 1/4 |
| 3 | 30 oko | 3/4 x 3/4 x 3/4 = 27/64 |
| H | 90 / N | [cos 2 (90 oko / N)] H |
Izračunavanje Brewsterovog kuta refleksije
Kad svjetlost pogodi površinu, dio svjetlostiodražava se, a dio prodire (lomi se). Relativna količina ovog odraza i loma ovisi o tvarima koje prolaze kroz svjetlost, a također i o kutu pod kojim svjetlost pogađa površinu. Postoji optimalan kut, ovisno o tvarima, koji omogućuje da se svjetlost što više lomi (prodire). Ovaj optimalni kut poznat je pod kutom škotskog fizičara Davida Brewstera.
Brewsterov kut za normalno polarizirano bijelo svjetlo izračunava se pomoću formule:
theta = arktan (n1 / n2),
gdje je theta Brewsterov kut, a n1 i n2 indeksi loma dva medija.
Da biste izračunali najbolji kut za maksimumprodiranje svjetlosti kroz staklo - iz tablice indeksa loma nalazimo da je indeks loma za zrak 1,00, a indeks loma za staklo 1,50.
Brewsterov kut bit će arktan (1,50 / 1,00) = arktan (1,50) = 56 stupnjeva (približno).
Izračunavanje najboljeg svjetlosnog kuta za maksimalni prodor vode. Iz tablice indeksa loma proizlazi da je indeks zraka 1,00, a indeks loma vode 1,33.
Brewsterov kut bit će arktan (1,33 / 1,00) = arktan (1,33) = 53 stupnja (približno).
Primjena polariziranog svjetla
Običan čovjek na ulici ni ne zamišljakako se intenzivno koriste polarizatori u svijetu. Polarizacija svjetlosti Malusova zakona okružuje nas svugdje. Na primjer, popularni predmeti poput polaroidnih sunčanih naočala i uporaba posebnih polarizacijskih filtara za leće fotoaparata. Razni znanstveni instrumenti koriste polariziranu svjetlost koju emitiraju laseri ili polarizirajuće žarulje sa žarnom niti i fluorescentni izvori.
Polarizatori se ponekad koriste za osvjetljenjesobe i scene kako bi se smanjio odsjaj i omogućilo ujednačenije osvjetljenje te kao naočale daju vidljiv osjećaj dubine 3D filmovima. Prekriženi polarizatori čak se koriste u svemirskim odijelima za drastično smanjenje količine svjetlosti sa sunca koja ulazi u oči astronauta tijekom spavanja.
Tajne optike u prirodi
Zašto je nebo plavo, crveni zalazak sunca i bijelooblaci? Ova pitanja svi znaju iz djetinjstva. Malusov i Brewsterov zakon objašnjavaju ove prirodne učinke. Naše je nebo zaista šareno zahvaljujući suncu. Njezino svijetlo bijelo svjetlo ugrađeno je u sve dugine boje: crvenu, narančastu, žutu, zelenu, plavu, indigo i ljubičastu. Pod određenim uvjetima, osoba nailazi ili na dugu, ili na zalazak sunca ili na sivu kasnu večer. Nebo je plavo zbog "raspršenja" sunčeve svjetlosti. Plava ima kraću valnu duljinu i više energije od ostalih boja.
Kao rezultat, plava se selektivno apsorbiramolekule zraka, a zatim ponovno puštene u svim smjerovima. Ostale su boje manje raspršene i stoga se obično ne vide. Podnevno sunce je žuto, upijajući njegovu plavu boju. Pri izlasku ili zalasku sunca sunčeva svjetlost prodire pod malim kutom i mora proći kroz veliku debljinu atmosfere. Kao rezultat toga, plava boja je pažljivo raspršena, tako da je većina zraka u potpunosti apsorbira, gubi i raspršuje druge boje, posebno narančastu i crvenu, stvarajući veličanstveni horizont boja.
Za sve su zaslužne i boje sunčeve svjetlostinijanse koje volimo na Zemlji, bila to zelena trava ili tirkizni ocean. Površina svakog predmeta odabire određene boje koje će odraziti kako bi se razlikovao. Oblaci su često sjajno bijeli jer su sjajni reflektori ili difuzori bilo koje boje. Sve vraćene boje zbrajaju se u neutralnu bijelu. Neki materijali ravnomjerno odražavaju sve boje, poput mlijeka, krede i šećera.
Vrijednost polarizacijske osjetljivosti u astronomiji
Dugo vremena proučavajući Malusov pravni učinakpolarizacija u astronomiji bila je zanemarena. Starlight je gotovo potpuno nepolariziran i može se koristiti kao standard. Prisutnost polarizirane svjetlosti u astronomiji može nam reći o tome kako je svjetlost stvorena. U nekim supernovima svjetlost koja se emitira nije nepolarizirana. Ovisno o dijelu zvijezde o kojem se razmišlja, može se vidjeti još jedna polarizacija.
Ove informacije o polarizaciji svjetlosti iz različitih područja maglice mogu istraživačima pružiti trag o mjestu zasjenjene zvijezde.
U drugim slučajevima, prisutnošću polarizirane svjetlostimožete otkriti podatke o cijelom dijelu nevidljive galaksije. Druga uporaba mjerenja osjetljivih na polarizaciju u astronomiji je otkrivanje prisutnosti magnetskih polja. Proučavajući kružnu polarizaciju vrlo specifičnih boja svjetlosti koje proizlaze iz sunčeve korone, znanstvenici su pronašli podatke o snazi magnetskog polja na tim mjestima.
Optička mikroskopija
Mikroskop s polariziranom svjetlošću dizajniran je zaza promatranje i fotografiranje uzoraka koji su vidljivi zbog svoje optički anizotropne prirode. Anizotropni materijali imaju optička svojstva koja se mijenjaju sa smjerom širenja svjetlosti koja prolazi kroz njih. Da bi se postigao taj zadatak, mikroskop mora biti opremljen i polarizatorom smještenim na svjetlosnom putu negdje ispred uzorka i analizatorom (drugim polarizatorom) smještenim na optičkom putu između stražnjeg otvora objektiva i cijevi za gledanje ili otvora za kameru.
Primjene polarizacije u biomedicini
Ovaj trend, danas popularan, temelji se nana činjenicu da u našim tijelima postoji mnogo spojeva koji su optički aktivni, odnosno mogu okretati polarizaciju svjetlosti koja prolazi kroz njih. Različiti optički aktivni spojevi mogu okretati polarizaciju svjetlosti u različitim količinama i u različitim smjerovima.
Neke optički aktivne kemikalijeprisutan u većim koncentracijama u ranim fazama očnih bolesti. Liječnici mogu potencijalno koristiti ovo znanje za dijagnozu očnih bolesti u budućnosti. Može se zamisliti da liječnik zasija polarizirani izvor svjetlosti u oko pacijenta i mjeri polarizaciju svjetlosti koja se reflektira od mrežnice. Koristi se kao neinvazivni test za očne bolesti.
Poklon našeg vremena - LCD zaslon
Ako pažljivo pogledate LCD zaslon, možeteprimijetite da je slika velik niz kvadrata u boji raspoređenih u mrežu. U njima je primijenjen Malusov zakon čija je fizika procesa stvorila uvjete kada svaki kvadrat ili piksel ima svoju boju. Ova je boja kombinacija crvene, zelene i plave svjetlosti pri svakom intenzitetu. Te primarne boje mogu reproducirati bilo koju boju koju ljudsko oko može vidjeti, jer su naše oči trikromatske.
Drugim riječima, oni aproksimiraju određene valne duljine svjetlosti analizirajući intenzitet svakog od tri kanala u boji.
Zasloni koriste samo ovu manuprikazujući tri valne duljine koje selektivno ciljaju svaku vrstu receptora. Faza tekućih kristala postoji u osnovnom stanju, u kojem su molekule orijentirane u slojevima, a svaki sljedeći sloj lagano se uvija dajući spiralni uzorak.
LCD sa sedmosegmentnim zaslonom s tekućim kristalima:
- Pozitivna elektroda.
- Negativna elektroda.
- Polarizator 2.
- Prikaz.
- Polarizator 1.
- Tekući kristal.
Ovdje se LCD nalazi između dvije staklene ploče,koji su opremljeni elektrodama. LC su prozirni kemijski spojevi s "uvijenim molekulama" koji se nazivaju tekući kristali. Pojava optičke aktivnosti u nekim kemikalijama posljedica je njihove sposobnosti okretanja ravnine polarizirane svjetlosti.
3D filmovi Stereopsis
Polarizacija omogućuje ljudski mozaklažni 3D analizom razlika između dviju slika. Ljudi ne mogu vidjeti u tri dimenzije, naše oči mogu vidjeti samo u dvodimenzionalnim slikama. Međutim, naš mozak može shvatiti koliko su udaljeni objekti analizirajući razlike u onome što svako oko vidi. Taj je proces poznat pod nazivom Stereopsis.
Budući da naš mozak može vidjeti samo pseudo-3D,filmaši mogu koristiti ovaj postupak za stvaranje iluzije tri dimenzije bez pribjegavanja hologramima. Svi 3D filmovi rade isporukom dvije fotografije, po jednom za svako oko. Do 1950-ih polarizacija je postala dominantna metoda odvajanja slike. U kazalištima su počela raditi dva projektora istovremeno, s linearnim polarizatorom iznad svake leće.
Za trenutnu generaciju 3D filmova, tehnologijaprebacio na kružnu polarizaciju, koja se brine za problem orijentacije. Ovu tehnologiju trenutno proizvodi RealD i čini 90% 3D tržišta. RealD je objavio kružni filtar koji se vrlo brzo prebacuje između polarizacije u smjeru kazaljke na satu i suprotne od kazaljke na satu, pa se umjesto dva koristi samo jedan projektor.
