Sunku nustatyti, kas pirmą kartą atrado poliarizuotąšviesa Senovės žmonės galbūt pastebėjo savitą vietą, žvelgdami į dangų tam tikromis kryptimis. Poliarizacija turi daugybę problemų, pasireiškia įvairiose gyvenimo srityse, ir šiandien ji yra masinio tyrimo ir taikymo, visų priežasčių - Maluso įstatymo objektas.
Poliarizuotos šviesos aptikimas
Vikingai galėtų naudoti poliarizacijądangus naršyti. Net jei jie to nepadarė, jie tikrai atrado Islandiją ir nuostabų kalcito akmenį. Islandijos sparčiai (kalcitas) buvo žinomi net jų laikais, o jo vardas - Islandijos gyventojams. Mineralas buvo naudojamas navigacijoje dėl savo unikalių optinių savybių. Jis atliko svarbų vaidmenį šiuolaikiniame poliarizacijos atradime ir toliau yra pageidaujama medžiaga, skirta atskirti šviesos poliarizacijos komponentus.
1669 m. Danijos matematikas iš KopenhagosErasmus Bartholinus universitetas ne tik matė dvigubą šviesą, bet ir atliko keletą eksperimentų, rašydamas 60 puslapių atmintinę. Tai buvo pirmasis mokslinis poliarizacijos efekto aprašymas, ir autorius gali būti laikomas šios nuostabios šviesos savybės atradėju.
Christian Huygens sukūrė pulso bangąšviesos teorija, kurią jis išleido 1690 m. savo garsiojoje knygoje „Traite de la Lumiere“. Tuo pačiu metu Isaac Newton savo knygoje „Opticks“ (1704) išplėtė dalelių šviesos teoriją. Todėl abu buvo teisingi ir neteisingi, nes šviesa turi dvigubą prigimtį (bangų ir dalelių). Nepaisant to, Huygens buvo artimesnis šiuolaikiniam šio proceso vaizdui.
В 1801 году Томас Юнг сделал знаменитый trukdžių eksperimentas su dviem plyšiais. Įrodyta, kad šviesa elgiasi kaip banga, o bangų įvedimas gali sukelti tamsą (destrukcinį trukdymą). Jis naudojo savo teoriją, paaiškindamas tokius dalykus kaip Niutono žiedai ir vaivorykštės antgamtiniai lankai. Po kelerių metų, kai Jungas parodė, kad poliarizacija kyla dėl šviesos skersinės bangos, atsirado proveržis moksle.
Jauni Etienne Louis Malus gyveno neramioje erojePrancūzijos revoliucijos ir teroro valdymo laikas. Jis dalyvavo kartu su Napoleono kariuomene įsibrovus Egiptui, taip pat Palestinai ir Sirijai, kur jis sutarė po kelerius metus jį užmuštą marą. Tačiau jis sugebėjo labai prisidėti prie poliarizacijos supratimo. Maluso įstatymas, kuris numatė šviesos intensyvumą per poliarizatorių, tapo vienu populiariausių XXI amžiuje kuriant skystųjų kristalų ekranus.
Sir David Brewster, garsus mokslo rašytojas,Studijavo optinės fizikos dalykus, tokius kaip dichroizmas ir absorbcijos spektrai, taip pat labiau populiarių dalykų, tokių kaip stereofoninė fotografija. Įžymi Brewsterio frazė: „Viskas yra skaidri, išskyrus stiklą“.
Jis taip pat atliko neįkainojamą indėlį į šviesos tyrimą:
- Įstatymas, apibūdinantis „poliarizacijos kampą“.
- Kaleidoskopo išradimas.
Brewster daugeliui pakartojo Maluso eksperimentusbrangakmeniai ir kitos medžiagos, atrandančios stiklo anomaliją ir atrado įstatymą - „Brewster“ kampą. Pasak jo, "... kai spindulys yra poliarizuotas, atspindėta spindulys su plyšusiomis šviesomis sudaro teisingą kampą."
Maluso poliarizacijos dėsnis
Prieš kalbėdami apie poliarizaciją, pirmiausia turiteprisimink šviesą. Šviesa yra banga, nors kartais tai yra dalelė. Bet kokiu atveju poliarizacija yra prasminga, jei mes įsivaizduojame šviesą kaip bangą, kaip liniją, kuri keliauja nuo lempos iki akių. Dauguma šviesos yra mišri šviesos bangų netvarka, vibruojanti į visas puses. Ši vibracijos kryptis vadinama šviesos poliarizacija. Poliarizatorius yra prietaisas, kuris valo šią netvarką. Ji priima viską, kas sumaišo šviesą ir praleidžia tik šviesą, vibruojančią viena konkrečia kryptimi.
Maluso įstatymo formuluotė skamba taip:Kai į analizatorių patenka visiškai plokščia poliarizuota šviesa, analizatoriaus perduodamos šviesos intensyvumas yra tiesiogiai proporcingas kampo tarp analizatoriaus perdavimo ašių ir poliarizatoriaus kosinuso kvadratui.
Skersinėje elektromagnetinėje bangoje yra abuelektriniai ir magnetiniai laukai, o elektrinis laukas šviesos bangoje yra statmenas šviesos bangos sklidimo krypčiai. Šviesos vibracijos kryptis yra elektrinis vektorius E.
Įprastam nepoliarizuotam spinduliuielektrinis vektorius ir toliau keičia savo kryptį atsitiktinai, kai šviesa praeina pro polaroidą, gaunama šviesa yra poliarizuota plokštuma, jos elektrinis vektorius vibruoja tam tikra kryptimi. Besiformuojančio pluošto vektoriaus kryptis priklauso nuo polaroido orientacijos, o poliarizacijos plokštuma suprojektuota kaip plokštuma, turinti E vektorių ir šviesos pluoštą.
Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta plokščia poliarizuota šviesa dėl vertikalios EI ir horizontalios EII.
Nepoliarizuota šviesa praeina per „Polaroid P“1, o po to per „Polaroid P 2“, su y ašimis formuojant kampą θ. Šviesai sklindant išilgai x krypties, praeina pro Polaroid P 1, elektrinis vektorius, susijęs su poliarizuota šviesa, vibruos tik išilgai y ašies.
Dabar, jei leisime tai poliarizuotipluoštas vėl praeina per poliarizuotą P 2, formuodamas kampą θ su y ašimi, tada, jei E 0 yra krintančio elektrinio lauko amplitudė P 2, tada bangos, kylančios iš P 2, amplitudė bus lygi E 0 cosθ ir todėl kylančio pluošto intensyvumas bus pagal Maluso dėsnį (formulė) I = I 0 cos 2 θ
kur I 0 yra pluošto, kylančio iš P 2, intensyvumas, kai θ = 0 θ yra kampas tarp analizatoriaus ir poliarizatoriaus perdavimo plokštumų.
Šviesos intensyvumo skaičiavimo pavyzdys
Maluso įstatymas: I 1 = I o cos 2 (q);
kur q yra kampas tarp šviesos poliarizacijos krypties ir poliarizatoriaus perdavimo ašies.
Nepoliarizuota šviesa, kurios intensyvumas I o = 16W / m2 tenka porai poliarizatorių. Pirmojo poliarizatoriaus perdavimo ašis išlyginta 50 laipsnių nuo vertikalės. Antrojo poliarizatoriaus perdavimo ašis yra išlyginta 20 ° atstumu nuo vertikalės.
Maluso dėsnį galima patikrinti apskaičiuojant, koks yra šviesos intensyvumas, kai ji atsiranda iš pirmojo poliarizatoriaus:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
Šviesa nėra poliarizuota, todėl I 1 = 1/2 I o = 8 W / m 2.
Šviesos intensyvumas nuo antrojo poliarizatoriaus:
I 2 = 4 W / m 2
I 2 = 8 cos 2 20 o
I 2 = 6 W / m 2
Po to seka Maluso įstatymas, jo formuluotėkas patvirtina, kad kai šviesa išeina iš pirmojo poliarizatoriaus, ji tiesiškai poliarizuojama esant 50o. Kampas tarp šios ir antrojo poliarizatoriaus perdavimo ašies yra 30 °. Taigi:
I 2 = I 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 W / m 2.
Dabar linijinė šviesos pluošto poliarizacija, kurios intensyvumas yra 16 W / m 2, patenka į tą pačią poliarizatorių porą. Krintančios šviesos poliarizacijos kryptis yra 20o nuo vertikalės.
Šviesos intensyvumas, išeinantis iš pirmojo ir išantrieji poliarizatoriai. Pro kiekvieną poliarizatorių intensyvumas sumažėja 3/4 kartus. Išėjus iš pirmojo poliarizatoriaus, intensyvumas yra 16 * 3/4 = 12 W / m 2 ir praeina per antrąjį sumažėja iki 12 * 3/4 = 9 W / m 2.
Maluso dėsnio poliarizacija sako, kad norint pasukti šviesą iš vienos poliarizacijos krypties į kitą, intensyvumo nuostoliai sumažinami naudojant daugiau poliarizatorių.
Tarkime, kad norite pasukti poliarizacijos kryptį 90apie.
| N, poliarizatorių skaičius | Kampas tarp vienas po kito einančių poliarizatorių | Ir 1 / Aš apie |
| 1 | 90 apie | 0 |
| 2 | 45 apie | 1/2 x 1/2 = 1/4 |
| 3 | 30 apie | 3/4 x 3/4 x 3/4 = 27/64 |
| H | 90 / N | [cos 2 (90 apie / N)] H |
Brewsterio atspindžio kampo apskaičiavimas
Kai šviesa patenka į paviršių, dalis šviesosatsispindi, o dalis prasiskverbia (lūžta). Santykinis šio atspindžio ir lūžio dydis priklauso nuo šviesą praeinančių medžiagų ir nuo kampo, kuriuo šviesa patenka į paviršių. Yra optimalus kampas, priklausomai nuo medžiagų, leidžiantis kuo labiau laužti (prasiskverbti) į šviesą. Šis optimalus kampas yra žinomas kaip škotų fiziko Davido Brewsterio kampas.
Brewsterio kampas normaliai poliarizuotai baltai šviesai apskaičiuojamas pagal formulę:
teta = arktanas (n1 / n2),
kur teta yra Brewsterio kampas, o n1 ir n2 yra abiejų terpių lūžio rodikliai.
Norėdami apskaičiuoti geriausią kampo maksimumąšviesos prasiskverbimas per stiklą - iš lūžio rodiklių lentelės nustatome, kad oro lūžio rodiklis yra 1,00, o stiklo lūžio rodiklis - 1,50.
Brewsterio kampas bus arktanas (1,50 / 1,00) = arktanas (1,50) = 56 laipsniai (apytiksliai).
Apskaičiuoja geriausią šviesos kampą maksimaliam vandens įsiskverbimui. Iš lūžio rodiklio lentelės matyti, kad oro indeksas yra 1,00, o vandens lūžio rodiklis - 1,33.
Brewsterio kampas bus arktanas (1,33 / 1,00) = arktanas (1,33) = 53 laipsniai (apytiksliai).
Poliarizuotos šviesos taikymas
Paprastas žmogus gatvėje net neįsivaizduojakaip intensyviai pasaulyje naudojami poliarizatoriai. Maluso įstatymo šviesos poliarizacija mus supa visur. Pavyzdžiui, tokie populiarūs daiktai kaip „Polaroid“ akiniai nuo saulės ir specialių poliarizacinių filtrų naudojimas fotoaparatų objektyvams. Įvairiuose moksliniuose instrumentuose naudojama lazerių skleidžiama poliarizuota šviesa arba kaitinamosios lempos ir fluorescenciniai šaltiniai.
Apšvietimui kartais naudojami poliarizatoriaikambariai ir scenos, siekiant sumažinti akinimą ir suteikti vienodesnį apšvietimą, ir kaip akiniai, suteikiantys matomą 3D filmų gylio pojūtį. Sukryžiuoti poliarizatoriai netgi naudojami kosminiuose kostiumuose, kad miegant drastiškai sumažėtų saulės šviesos, patenkančios į astronauto akis, kiekis.
Optikos paslaptys gamtoje
Kodėl dangus mėlynas, raudonas saulėlydis ir baltasdebesys? Šiuos klausimus visi žino nuo vaikystės. Maluso ir Brewsterio įstatymai paaiškina šiuos natūralius padarinius. Saulės dėka mūsų dangus yra tikrai spalvingas. Ryškiai balta šviesa turi visas vaivorykštės spalvas: raudoną, oranžinę, geltoną, žalią, mėlyną, indigo ir violetinę. Tam tikromis sąlygomis žmogus susiduria arba su vaivorykštė, arba su saulėlydžiu, arba su pilku vėlyvu vakaru. Dangus yra mėlynas dėl saulės spindulių „išsklaidymo“. Mėlyna turi trumpesnį bangos ilgį ir daugiau energijos nei kitos spalvos.
Todėl mėlyna spalva selektyviai absorbuojamaoro molekulių ir tada vėl išleidžiama į visas puses. Kitos spalvos yra mažiau išsklaidytos, todėl dažniausiai jų nematyti. Vidurdienio saulė yra geltona, sugerianti jos mėlyną. Saulėtekio ar saulėlydžio metu saulės spinduliai prasiskverbia žemu kampu ir turi praeiti per didelį atmosferos storį. Dėl to mėlyna spalva yra kruopščiai išsklaidyta, todėl didžiąją jos dalį visiškai absorbuoja oras, prarandamos ir išsklaidomos kitos spalvos, ypač oranžinė ir raudona, sukuriant šlovingą spalvų horizontą.
Saulės šviesos spalvos taip pat yra atsakingos už viskąatspalvių, kuriuos mes mėgstame Žemėje, nesvarbu, ar tai žolė, ar turkio spalvos vandenynas. Kiekvieno objekto paviršius pasirenka konkrečias spalvas, kurias jis atspindės, kad galėtų atskirti save. Debesys dažnai blizga baltai, nes tai puikūs bet kokios spalvos atšvaitai ar difuzoriai. Visos grąžintos spalvos pridedamos prie neutralios baltos spalvos. Kai kurios medžiagos tolygiai atspindi visas spalvas, pavyzdžiui, pieną, kreidą ir cukrų.
Jautrumo poliarizacijai vertė astronomijoje
Ilgai tyrinėjo Maluso dėsnio efektąastronomijos poliarizacija buvo ignoruojama. „Starlight“ yra beveik visiškai nepoliarizuota ir gali būti naudojama kaip standartas. Poliarizuotos šviesos buvimas astronomijoje gali mums pasakyti, kaip šviesa buvo sukurta. Kai kuriose supernovose skleidžiama šviesa nėra poliarizuota. Priklausomai nuo planuojamos žvaigždės dalies, gali būti matoma kitokia poliarizacija.
Ši informacija apie šviesos iš skirtingų ūko regionų poliarizaciją galėtų suteikti tyrėjams užuominą apie užgožtos žvaigždės vietą.
Kitais atvejais, esant poliarizuotai šviesaigalite atskleisti informaciją apie visą nematomos galaktikos dalį. Kitas astronomijoje jautrių poliarizacijai matavimų panaudojimas yra magnetinių laukų buvimo nustatymas. Tyrinėdami labai specifinių šviesos spalvų, sklindančių iš saulės vainiko, žiedinę poliarizaciją, mokslininkai išsiaiškino informaciją apie magnetinio lauko stiprumą šiose vietose.
Optinė mikroskopija
Poliarizuotas šviesos mikroskopas skirtasmėginiams, matomiems dėl jų optiškai anizotropinio pobūdžio, stebėti ir fotografuoti. Anizotropinės medžiagos pasižymi optinėmis savybėmis, kurios keičiasi per jas praeinančios šviesos sklidimo kryptį. Norėdami atlikti šią užduotį, mikroskopas turi būti aprūpintas ir poliarizatoriumi, esančiu šviesos kelyje kažkur priešais mėginį, ir analizatoriumi (antruoju poliarizatoriumi), esančiu optiniame kelyje tarp objektyvinės užpakalinės angos ir žiūrėjimo vamzdelių ar kameros angos .
Poliarizacijos taikymai biomedicinoje
Ši šiandien populiari tendencija yra pagrįstaapie tai, kad mūsų kūnuose yra daug optiškai aktyvių junginių, tai yra, jie gali pasukti pro juos praeinančios šviesos poliarizaciją. Skirtingi optiškai aktyvūs junginiai gali pasukti šviesos poliarizaciją skirtingais kiekiais ir skirtingomis kryptimis.
Kai kurios optiškai aktyvios cheminės medžiagosbūna didesnėse koncentracijose ankstyvosiose akių ligos stadijose. Gydytojai šias žinias ateityje gali potencialiai naudoti diagnozuodami akių ligas. Galima įsivaizduoti, kad gydytojas apšviečia poliarizuotą šviesos šaltinį į paciento akį ir išmatuoja nuo tinklainės atsispindinčios šviesos poliarizaciją. Jis naudojamas kaip neinvazinis akių ligų tyrimo metodas.
Mūsų laiko dovana - LCD ekranas
Jei atidžiai pažvelgsite į LCD ekraną, galiteatkreipkite dėmesį, kad vaizdas yra didelis spalvotų kvadratų masyvas, išdėstytas tinklelyje. Jose buvo pritaikytas Maluso dėsnis, kurio proceso fizika sukūrė sąlygas, kai kiekvienas kvadratas ar pikselis turi savo spalvą. Ši spalva yra raudonos, žalios ir mėlynos šviesos derinys kiekvienu intensyvumu. Šios pagrindinės spalvos gali atkurti bet kokią spalvą, kurią gali pamatyti žmogaus akis, nes mūsų akys yra trichromatinės.
Kitaip tariant, jie apytiksliai apibūdina konkrečius šviesos bangos ilgius, analizuodami kiekvieno iš trijų spalvų kanalų intensyvumą.
Ekranuose naudojamasi tik šiuo trūkumurodomi trys bangos ilgiai, kurie pasirinktinai nukreipiami į kiekvieno tipo receptorius. Skystųjų kristalų fazė egzistuoja pagrindinėje būsenoje, kurioje molekulės yra orientuotos sluoksniais, o kiekvienas paskesnis sluoksnis šiek tiek susisuka, kad suformuotų spiralę.
Skystųjų kristalų ekranas su septynių segmentų skystųjų kristalų ekranu:
- Teigiamas elektrodas.
- Neigiamas elektrodas.
- Poliarizatorius 2.
- Ekranas.
- Poliarizatorius 1.
- Skystas kristalas.
Čia LCD yra tarp dviejų stiklo plokščių,kuriuose yra elektrodai. LC yra skaidrūs cheminiai junginiai su „susuktomis molekulėmis“, vadinami skystaisiais kristalais. Kai kurių cheminių medžiagų optinio aktyvumo reiškinį lemia jų gebėjimas pasukti poliarizuotos šviesos plokštumą.
3D filmai „Stereopsis“
Poliarizacija leidžia žmogaus smegenimsnetikras 3D, analizuojant dviejų vaizdų skirtumus. Žmonės nemato trijų matmenų, mūsų akys mato tik dvimatis vaizdus. Tačiau mūsų smegenys gali išsiaiškinti, kiek toli yra objektai, analizuodami skirtumus to, ką mato kiekviena akis. Šis procesas yra žinomas kaip „Stereopsis“.
Kadangi mūsų smegenys gali matyti tik pseudo 3D,filmo kūrėjai gali naudoti šį procesą, norėdami sukurti trijų dimensijų iliuziją, nesinaudodami hologramomis. Visi 3D filmai veikia pateikiant dvi nuotraukas, po vieną kiekvienai akiai. 1950-aisiais poliarizacija tapo dominuojančiu vaizdų atskyrimo metodu. Teatruose pradėjo veikti du projektoriai, veikiantys vienu metu su linijiniu poliarizatoriumi virš kiekvieno objektyvo.
Dabartinės 3D filmų kartos, technologijosperėjo į žiedinę poliarizaciją, kuri rūpinasi orientacijos problema. Šią technologiją šiuo metu gamina „RealD“ ir ji užima 90% 3D rinkos. „RealD“ išleido apvalų filtrą, kuris labai greitai persijungia tarp poliarizacijos pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę, todėl naudojamas tik vienas projektorius, o ne du.
