Het is moeilijk uit te maken wie de eerste was die het gepolariseerde ontdekteschijnen. Oude mensen konden een eigenaardige plek opmerken wanneer ze in bepaalde richtingen naar de lucht keken. Polarisatie heeft vele eigenaardigheden, manifesteert zich op verschillende gebieden van het leven, en vandaag is het het onderwerp van grootschalig onderzoek en toepassing, de reden voor alles is de wet van Malus.
Ontdekking van gepolariseerd licht
Vikingen hebben mogelijk polarisatie gebruikthemel voor navigatie. Zelfs als ze dat niet deden, hebben ze zeker IJsland en de prachtige calcietsteen ontdekt. IJslandse spar (calciet) was in hun tijd bekend, het is aan de inwoners van IJsland dat het zijn naam te danken heeft. Het mineraal werd ooit gebruikt in de navigatie vanwege zijn unieke optische eigenschappen. Het speelde een belangrijke rol in de moderne ontdekking van polarisatie en blijft het geprefereerde materiaal voor het scheiden van de polariserende componenten van licht.
In 1669 kwam een Deense wiskundige uit KopenhagenDe Erasmus Bartholinus Universiteit zag niet alleen een dubbel licht, maar voerde ook enkele experimenten uit en schreef een memoires van 60 pagina's. Dit was de eerste wetenschappelijke beschrijving van het polarisatie-effect en de auteur kan worden beschouwd als de ontdekker van deze verbazingwekkende eigenschap van licht.
Christian Huygens ontwikkelde een pulsgolfde theorie van het licht, die hij in 1690 publiceerde in zijn beroemde boek Traite de la Lumiere. Tegelijkertijd bracht Isaac Newton de corpusculaire theorie van het licht naar voren in zijn boek Opticks (1704). Uiteindelijk hadden beide gelijk en ongelijk, aangezien licht een tweeledig karakter heeft (golf en deeltje). Toch stond Huygens dichter bij het moderne begrip van het proces.
In 1801 maakte Thomas Jung het beroemdeen interferentie-experiment met twee spleten. Bewezen dat licht zich gedraagt als golven, en superpositie van golven kan tot duisternis leiden (destructieve interferentie). Hij gebruikte zijn theorie om zaken als de ringen van Newton en bovennatuurlijke regenboogbogen uit te leggen. Een doorbraak in de wetenschap kwam een paar jaar later toen Jung aantoonde dat polarisatie voortkomt uit de transversale golfkarakteristiek van licht.
De jonge Etienne Louis Malus leefde in een turbulent tijdperk - tijdensde tijd van de Franse Revolutie en het schrikbewind. Hij nam met het leger van Napoleon deel aan de invasie van Egypte, evenals in Palestina en Syrië, waar hij de pest opliep, die hem enkele jaren later doodde. Maar hij wist een belangrijke bijdrage te leveren aan het begrip van polarisatie. De wet van Malus, die de intensiteit voorspelde van licht dat door een polarisator wordt doorgelaten, is een van de meest populaire in de 21e eeuw geworden voor het maken van schermen met vloeibare kristallen.
Sir David Brewster, bekend wetenschapsschrijver,studeerde optische fysica-onderwerpen zoals dichroïsme en absorptiespectra, evenals meer populaire onderwerpen zoals stereofonische fotografie. De beroemde uitspraak van Brewster: "Alles is transparant, behalve glas."
Hij leverde ook onschatbare bijdragen aan de studie van licht:
- De wet die de "polarisatiehoek" beschrijft.
- De uitvinding van de caleidoscoop.
Brewster herhaalde de experimenten van Malus voor velenedelstenen en andere materialen, die de anomalie van glas hebben ontdekt, en de wet hebben ontdekt - "Brewsters hoek". In zijn woorden: "... wanneer de straal gepolariseerd is, vormt de gereflecteerde straal een rechte hoek met de gebroken straal."
Malus 'polarisatiewet
Voordat u over polarisatie praat, moet u eerstonthoud het licht. Licht is een golf, hoewel het soms een deeltje is. Maar polarisatie is hoe dan ook logisch als we ons licht voorstellen als een golf, als een lijn terwijl het van de lamp naar de ogen gaat. Het meeste licht is een mengeling van lichtgolven die in alle richtingen trillen. Deze trillingsrichting wordt de polarisatie van licht genoemd. Een polarisator is een apparaat dat deze rotzooi opruimt. Het accepteert alles dat licht mengt en laat alleen licht door dat in een bepaalde richting vibreert.
De formulering van de Maluswet klinkt als volgt:Wanneer volledig vlak gepolariseerd licht op de analysator valt, is de intensiteit van het door de analysator doorgelaten licht recht evenredig met het kwadraat van de cosinus van de hoek tussen de transmissieassen van de analysator en de polarisator.
De transversale elektromagnetische golf bevat beideelektrische en magnetische velden, en het elektrische veld in een lichtgolf staat loodrecht op de voortplantingsrichting van de lichtgolf. De richting van de lichte trilling is de elektrische vector E.
Voor een conventionele ongepolariseerde straalde elektrische vector blijft willekeurig van richting veranderen, wanneer licht door de polaroid gaat, wordt het resulterende licht vlak gepolariseerd met zijn elektrische vector die in een specifieke richting trilt. De richting van de vector van de uittredende bundel hangt af van de oriëntatie van de polaroid, en het polarisatievlak is ontworpen als een vlak dat de E-vector en de lichtbundel bevat.
De onderstaande figuur toont vlak gepolariseerd licht door verticale EI en horizontale EII.
Ongepolariseerd licht passeert Polaroid P1, en dan door Polaroid P 2, een hoek θ vormend met y ax-s. Nadat licht dat zich voortplant in de x-richting door Polaroid P 1 gaat, zal de elektrische vector die is geassocieerd met het gepolariseerde licht alleen trillen langs de y-as.
Als we dit nu gepolariseerd toestaande straal gaat weer door de gepolariseerde P 2 en vormt een hoek θ met de y-as, en als E 0 de amplitude is van het invallende elektrische veld op P 2, dan is de amplitude van de golf die uit P 2 komt gelijk aan E 0 cosθ en daarom zal de intensiteit van de opkomende straal zijn volgens de wet van Malus (formule) I = I 0 cos 2 θ
waarbij I 0 de intensiteit is van de straal die uit P 2 komt wanneer θ = 0 θ de hoek is tussen de transmissievlakken van de analysator en de polarisator.
Voorbeeld voor het berekenen van de lichtintensiteit
Malus 'wet: Ik 1 = ik o cos 2 (q);
waarbij q de hoek is tussen de richting van de lichtpolarisatie en de transmissieas van de polarisator.
Ongepolariseerd licht met intensiteit I o = 16W / m2 valt op een paar polarisatoren. De eerste polarisator heeft een transmissie-as die 50 graden ten opzichte van de verticaal is uitgelijnd. De tweede polarisator heeft een transmissieas uitgelijnd op een afstand van 20 ° ten opzichte van de verticaal.
Een test van de wet van Malus kan worden gedaan door te berekenen wat de intensiteit is van het licht wanneer het uit de eerste polarisator komt:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
Het licht is niet gepolariseerd, dus I 1 = 1/2 I o = 8 W / m 2.
Lichtintensiteit van de tweede polarisator:
Ik 2 = 4 W / m 2
Ik 2 = 8 cos 2 20 o
Ik 2 = 6 W / m 2
Dit wordt gevolgd door de Malus-wet, de formuleringwat bevestigt dat wanneer licht de eerste polarisator verlaat, het lineair gepolariseerd is bij 50o. De hoek tussen deze en de transmissieas van de tweede polarisator is 30 °. Vandaar:
Ik 2 = ik 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 W / m 2.
Nu valt de lineaire polarisatie van de lichtbundel met een intensiteit van 16 W / m 2 op hetzelfde paar polarisatoren. De polarisatierichting van het invallende licht is 20o vanaf de verticaal.
De intensiteit van het licht dat uit de eerste komt en uittweede polarisatoren. Bij het passeren van elke polarisator neemt de intensiteit 3/4 keer af. Na het verlaten van de eerste polarisator is de intensiteit 16 * 3/4 = 12 W / m 2 en neemt af tot 12 * 3/4 = 9 W / m 2 na het passeren van de tweede.
De wet van Malus polarisatie zegt dat om licht van de ene polarisatierichting naar de andere te draaien, het intensiteitsverlies wordt verminderd door meer polarisatoren te gebruiken.
Stel dat u de polarisatierichting 90 wilt draaienover.
| N, aantal polarisatoren | Hoek tussen opeenvolgende polarisatoren | en 1 / Ik over |
| 1 | 90 over | 0 |
| 2 | 45 over | 1/2 x 1/2 = 1/4 |
| 3 | 30 over | 3/4 x 3/4 x 3/4 = 27/64 |
| H. | 90 / N | [cos 2 (90 over / N)] H. |
Berekening van de Brewster-reflectiehoek
Wanneer licht een oppervlak raakt, wordt een deel van het lichtgereflecteerd, en een deel penetreert (refracteert). De relatieve hoeveelheid van deze reflectie en breking is afhankelijk van de stoffen die door het licht gaan en ook van de hoek waaronder het licht het oppervlak raakt. Er is een optimale hoek, afhankelijk van de stoffen, waardoor het licht zoveel mogelijk kan worden gebroken (doorgedrongen). Deze optimale hoek staat bekend als de hoek van de Schotse natuurkundige David Brewster.
De Brewster-hoek voor normaal gepolariseerd wit licht wordt berekend met behulp van de formule:
theta = arctan (n1 / n2),
waarbij theta de Brewster-hoek is en n1 en n2 de brekingsindices van de twee media zijn.
Om de beste hoek voor het maximum te berekenenpenetratie van licht door glas - uit de tabel met brekingsindices zien we dat de brekingsindex voor lucht 1,00 is en de brekingsindex voor glas 1,50.
De Brewster-hoek is arctan (1.50 / 1.00) = arctan (1.50) = 56 graden (ongeveer).
Berekent de beste lichthoek voor maximale waterpenetratie. Uit de brekingsindex-tabel volgt dat de index voor lucht 1,00 is en de brekingsindex voor water 1,33.
De Brewster-hoek is arctan (1,33 / 1,00) = arctan (1,33) = 53 graden (ongeveer).
Toepassing van gepolariseerd licht
Een gewone man op straat kan het zich niet eens voorstellenhoe intensief polarisatoren in de wereld worden gebruikt. De polarisatie van het licht van de wet van Malus omringt ons overal. Bijvoorbeeld populaire items als Polaroid zonnebrillen en het gebruik van speciale polarisatiefilters voor cameralenzen. Verschillende wetenschappelijke instrumenten gebruiken gepolariseerd licht dat wordt uitgezonden door lasers of door gloeilampen en fluorescerende bronnen te polariseren.
Polarisatoren worden soms gebruikt voor verlichtingkamers en scènes om verblinding te verminderen en een meer gelijkmatige verlichting te bieden en als bril om een zichtbaar gevoel van diepte te geven aan 3D-films. Gekruiste polarisatoren worden zelfs in ruimtepakken gebruikt om de hoeveelheid licht van de zon die tijdens het slapen in de ogen van de astronaut komt drastisch te verminderen.
Geheimen van optica in de natuur
Waarom is de lucht blauw, rode zonsondergang en witwolken? Iedereen kent deze vragen van kinds af aan. De wetten van Malus en Brewster verklaren deze natuurlijke effecten. Onze lucht is echt kleurrijk dankzij de zon. Het heldere witte licht heeft alle kleuren van de regenboog erin ingebed: rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en paars. Onder bepaalde omstandigheden komt iemand óf een regenboog, óf een zonsondergang of een grijze late avond tegen. De lucht is blauw door de "verstrooiing" van zonlicht. Blauw heeft een kortere golflengte en meer energie dan andere kleuren.
Hierdoor wordt blauw selectief geabsorbeerdluchtmoleculen en vervolgens weer vrijgelaten in alle richtingen. Andere kleuren zijn minder verspreid en daardoor meestal niet zichtbaar. De middagzon is geel en absorbeert zijn blauw. Bij zonsopgang of zonsondergang dringt het zonlicht onder een lage hoek binnen en moet het door een grote dikte van de atmosfeer gaan. Het resultaat is dat blauw zorgvuldig wordt verspreid, zodat het meeste volledig door de lucht wordt geabsorbeerd, verloren gaat en andere kleuren wordt verspreid, vooral oranje en rood, waardoor een glorieuze horizon van kleuren ontstaat.
Zonlichtkleuren zijn ook verantwoordelijk voor allestinten waar we van houden op aarde, of het nu groen gras is of een turquoise oceaan. Het oppervlak van elk object kiest specifieke kleuren die het reflecteert om zichzelf te onderscheiden. Wolken zijn vaak glanzend wit omdat het geweldige reflectoren of diffusors zijn in welke kleur dan ook. Alle geretourneerde kleuren worden bij elkaar opgeteld tot neutraal wit. Sommige materialen reflecteren alle kleuren gelijkmatig, zoals melk, krijt en suiker.
De waarde van polarisatiegevoeligheid in de astronomie
Lange tijd het weteffect van Malus bestudeerdpolarisatie in de astronomie werd genegeerd. Starlight is nagenoeg volledig niet-gepolariseerd en kan als standaard worden gebruikt. De aanwezigheid van gepolariseerd licht in de astronomie kan ons vertellen over hoe licht werd gecreëerd. In sommige supernovae is het uitgezonden licht niet ongepolariseerd. Afhankelijk van het deel van de ster dat wordt overwogen, is er een andere polarisatie te zien.
Deze informatie over de polarisatie van licht uit verschillende delen van de nevel zou onderzoekers een idee kunnen geven over de locatie van de schaduwster.
In andere gevallen door de aanwezigheid van gepolariseerd lichtje kunt informatie onthullen over het hele deel van de onzichtbare melkweg. Een ander gebruik van polarisatiegevoelige metingen in de astronomie is het detecteren van de aanwezigheid van magnetische velden. Door de circulaire polarisatie te bestuderen van zeer specifieke lichtkleuren die afkomstig zijn van de corona van de zon, hebben wetenschappers informatie verzameld over de sterkte van het magnetische veld op deze plaatsen.
Optische microscopie
De gepolariseerde lichtmicroscoop is ontworpen omvoor het observeren en fotograferen van monsters die zichtbaar zijn vanwege hun optisch anisotrope aard. Anisotrope materialen hebben optische eigenschappen die veranderen met de voortplantingsrichting van licht dat erdoorheen gaat. Om deze taak te volbrengen, moet de microscoop zijn uitgerust met zowel een polarisator die zich in het lichtpad ergens vóór het monster bevindt als een analysator (een tweede polarisator) die in het optische pad tussen de achterste opening van het objectief en de kijkbuizen of camerapoort is geplaatst. .
Toepassingen van polarisatie in de biogeneeskunde
Deze trend, die tegenwoordig populair is, is gebaseerd opop het feit dat er in ons lichaam veel verbindingen zijn die optisch actief zijn, dat wil zeggen dat ze de polarisatie van het licht dat erdoorheen gaat kunnen roteren. Verschillende optisch actieve verbindingen kunnen de polarisatie van licht in verschillende hoeveelheden en in verschillende richtingen roteren.
Sommige optisch actieve chemicaliënaanwezig in hogere concentraties in de vroege stadia van oogziekte. Artsen kunnen deze kennis mogelijk gebruiken om in de toekomst oogziekten te diagnosticeren. Men kan zich voorstellen dat de arts een gepolariseerde lichtbron in het oog van de patiënt schijnt en de polarisatie meet van het licht dat door het netvlies wordt gereflecteerd. Het wordt gebruikt als een niet-invasieve methode voor het testen van oogziekten.
Geschenk van onze tijd - LCD-scherm
Als je goed naar het LCD-scherm kijkt, kan datMerk op dat de afbeelding een grote reeks gekleurde vierkanten is die in een raster zijn gerangschikt. Daarin werd de wet van Malus toegepast, waarvan de fysica van het proces voorwaarden schiep wanneer elk vierkant of elke pixel zijn eigen kleur heeft. Deze kleur is een combinatie van rood, groen en blauw licht bij elke intensiteit. Deze primaire kleuren kunnen elke kleur reproduceren die het menselijk oog kan zien, omdat onze ogen trichromatisch zijn.
Met andere woorden, ze benaderen specifieke golflengten van licht door de intensiteit van elk van de drie kleurkanalen te analyseren.
Displays profiteren alleen van deze foutmet drie golflengten die zich selectief richten op elk type receptor. De vloeibaar-kristalfase bestaat in de grondtoestand, waarin de moleculen in lagen zijn georiënteerd en elke volgende laag lichtjes omkrult om een spiraalpatroon te vormen.
LCD met liquid crystal display met zeven segmenten:
- Positieve elektrode.
- Negatieve elektrode.
- Polarisator 2.
- Scherm.
- Polarisator 1.
- Vloeibaar kristal.
Hier is LCD tussen twee glasplaten,die zijn uitgerust met elektroden. LC zijn transparante chemische verbindingen met "gedraaide moleculen" die vloeibare kristallen worden genoemd. Het fenomeen van optische activiteit in sommige chemicaliën is te wijten aan hun vermogen om het vlak van gepolariseerd licht te roteren.
Stereopsis 3D-films
Polarisatie maakt het menselijk brein mogelijknep 3D door de verschillen tussen twee afbeeldingen te analyseren. Mensen kunnen niet zien in drie dimensies; onze ogen kunnen alleen zien in tweedimensionale afbeeldingen. Onze hersenen kunnen echter uitzoeken hoe ver objecten verwijderd zijn door de verschillen te analyseren in wat elk oog ziet. Dit proces staat bekend als Stereopsis.
Omdat onze hersenen alleen pseudo 3D kunnen zien,filmmakers kunnen dit proces gebruiken om de illusie van drie dimensies te creëren zonder hun toevlucht te nemen tot hologrammen. Alle 3D-films werken door twee foto's te leveren, één voor elk oog. In de jaren vijftig was polarisatie de dominante methode voor beeldscheiding geworden. Theaters begonnen twee projectoren tegelijkertijd te laten werken, met een lineaire polarisator boven elke lens.
Voor de huidige generatie 3D-films, technologieovergeschakeld op circulaire polarisatie, die het oriëntatieprobleem oplost. Deze technologie wordt momenteel geproduceerd door RealD en vertegenwoordigt 90% van de 3D-markt. RealD heeft een circulair filter uitgebracht dat zeer snel schakelt tussen polarisatie met de klok mee en tegen de klok in, dus er wordt maar één projector gebruikt in plaats van twee.
