Det er vanskelig å skille ut hvem som var den første som oppdaget polariserteskinne. Gamle mennesker kunne merke et særegent sted når de så på himmelen i visse retninger. Polarisering har mange særegenheter, manifesterer seg i forskjellige områder av livet, og i dag er det gjenstand for massiv forskning og anvendelse, årsaken til alt er Malus lov.
Oppdagelse av polarisert lys
Vikinger kan ha brukt polariseringhimmel for navigering. Selv om de ikke gjorde det, oppdaget de definitivt Island og den fantastiske kalsittsteinen. Islandsk spar (kalsitt) var kjent i sin tid, det er for innbyggerne på Island at den skylder navnet sitt. Mineralet ble en gang brukt i navigering på grunn av dets unike optiske egenskaper. Den spilte en viktig rolle i den moderne oppdagelsen av polarisering og er fortsatt det foretrukne materialet for å skille de polariserende komponentene i lys.
I 1669, en dansk matematiker fra KøbenhavnErasmus Bartholinus University så ikke bare et dobbelt lys, men gjennomførte også noen eksperimenter og skrev en 60-siders memoar. Dette var den første vitenskapelige beskrivelsen av polarisasjonseffekten, og forfatteren kan betraktes som oppdageren av denne fantastiske lysegenskapen.
Christian Huygens utviklet en pulsbølgeteorien om lys, som han publiserte i 1690 i sin berømte bok Traite de la Lumiere. Samtidig avanserte Isaac Newton den korpuskulære teorien om lys i sin bok Opticks (1704). Til slutt var begge rett og galt, siden lys har en dobbel natur (bølge og partikkel). Likevel var Huygens nærmere den moderne forståelsen av prosessen.
I 1801 gjorde Thomas Jung den berømteet interferenseksperiment med to spalter. Bevist at lys oppfører seg som bølger, og superposisjon av bølger kan føre til mørke (destruktiv interferens). Han brukte teorien sin til å forklare ting som Newtons ringer og overnaturlige regnbuer. Et gjennombrudd i vitenskapen kom noen år senere da Jung viste at polarisering oppstår fra lysets tverrbølge.
Unge Etienne Louis Malus levde i en turbulent tid - undertiden for den franske revolusjonen og terrorperioden. Han deltok med Napoleons hær i invasjonen av Egypt, så vel som i Palestina og Syria, hvor han fikk pesten, som drepte ham flere år senere. Men han klarte å gi et viktig bidrag til forståelsen av polarisering. Malus lov, som forutsa intensiteten av lys som overføres gjennom en polarisator, har blitt en av de mest populære i det 21. århundre for opprettelse av flytende krystallskjerm.
Sir David Brewster, kjent vitenskapsforfatter,studerte optiske fysikkfag som dikroisme og absorpsjonsspektre, samt mer populære fag som stereofonisk fotografering. Famous Brewsters setning: "Alt er gjennomsiktig, bortsett fra glass."
Han ga også uvurderlige bidrag til studiet av lys:
- Loven som beskriver "polarisasjonsvinkelen".
- Oppfinnelsen av kalejdoskopet.
Brewster gjentok Malus eksperimenter for mangeedelstener og andre materialer, etter å ha oppdaget glassets avvik, og oppdaget loven - "Brewsters vinkel". I hans ord, "... når strålen er polarisert, danner den reflekterte strålen en rett vinkel med den refrakterte strålen."
Malus 'polarisasjonslov
Før du snakker om polarisering, må du førsthusk lyset. Lys er en bølge, selv om det noen ganger er en partikkel. Men i alle fall er polarisering fornuftig hvis vi forestiller oss lys som en bølge, som en linje når den beveger seg fra lampen til øynene. Mest lys er et blandet rot av lysbølger som vibrerer i alle retninger. Denne vibrasjonsretningen kalles polarisering av lys. En polarisator er en enhet som rydder opp i dette rotet. Den aksepterer alt som blander lys og bare slipper gjennom lys som vibrerer i en bestemt retning.
Ordlyden i Malus-loven høres slik ut:Når det kommer helt flatt polarisert lys på analysatoren, er intensiteten av lyset som overføres av analysatoren direkte proporsjonal med kvadratet til cosinus for vinkelen mellom analysatorens overføringsakser og polarisatoren.
Den tverrgående elektromagnetiske bølgen inneholder begge delerelektriske og magnetiske felt, og det elektriske feltet i en lysbølge er vinkelrett på forplantningsretningen til lysbølgen. Retningen til lysvibrasjonen er den elektriske vektoren E.
For en konvensjonell upolarisert stråleden elektriske vektoren fortsetter å endre sin retning tilfeldig, når lys passerer gjennom polaroid, blir det resulterende lyset planpolarisert med sin elektriske vektor som vibrerer i en bestemt retning. Retningen til vektoren til den fremvoksende strålen avhenger av polaroidens retning, og polariseringsplanet er utformet som et plan som inneholder E-vektoren og lysstrålen.
Figuren nedenfor viser flatt polarisert lys på grunn av vertikal EI og horisontal EII.
Upolarisert lys passerer gjennom Polaroid P1, og deretter gjennom Polaroid P 2, og danner en vinkel θ med y-akser. Etter at lys som forplanter seg langs x-retningen passerer gjennom Polaroid P 1, vil den elektriske vektoren assosiert med det polariserte lyset bare vibrere langs y-aksen.
Nå hvis vi tillater dette polarisertstrålen passerer igjen gjennom det polariserte P2 og danner en vinkel θ med y-aksen, så hvis E 0 er amplituden til det innfallende elektriske feltet på P2, vil amplituden til bølgen som kommer ut fra P 2 være lik E 0 cosθ og derfor intensiteten til den nye strålen vil være i henhold til Malus lov (formel) I = I 0 cos 2 θ
hvor I 0 er intensiteten til strålen som kommer fra P 2 når θ = 0 θ er vinkelen mellom transmisjonsplanene til analysatoren og polarisatoren.
Eksempel for beregning av lysintensitet
Malus lov: I 1 = I o cos 2 (q);
hvor q er vinkelen mellom retningen for lyspolarisering og overføringsaksen til polarisatoren.
Upolarisert lys med intensitet I o = 16W / m2 faller på et par polarisatorer. Den første polarisatoren har en overføringsakse justert 50 grader fra vertikal. Den andre polarisatoren har en overføringsakse justert i en avstand på 20 ° fra vertikalen.
En test av Malus's lov kan gjøres ved å beregne hva lysets intensitet er når den kommer ut fra den første polarisatoren:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
Lyset er ikke polarisert, så I 1 = 1/2 I o = 8 W / m 2.
Lysintensitet fra den andre polarisatoren:
I 2 = 4 W / m 2
I 2 = 8 cos 2 20 o
I 2 = 6 W / m 2
Dette følges av Malus-loven, formuleringensom bekrefter at når lyset kommer ut av den første polarisatoren, er det lineært polarisert ved 50o. Vinkelen mellom denne og overføringsaksen til den andre polarisatoren er 30 °. Derfor:
I 2 = I 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 W / m 2.
Nå faller den lineære polarisasjonen av lysstrålen med en intensitet på 16 W / m 2 på det samme paret polarisatorer. Polarisasjonsretningen for det innfallende lyset er 20o fra vertikal.
Lysintensiteten som kommer ut fra første og fraandre polarisatorer. Når du går gjennom hver polarisator, reduseres intensiteten 3/4 ganger. Etter å ha forlatt den første polarisatoren er intensiteten 16 * 3/4 = 12 W / m 2 og reduseres til 12 * 3/4 = 9 W / m 2 etter å ha passert den andre.
Malus lovpolarisering sier at for å slå lys fra en retning av polarisering til en annen, reduseres intensitetstapet ved å bruke flere polarisatorer.
Anta at du vil rotere polarisasjonsretningen 90omtrent.
| N, antall polarisatorer | Vinkel mellom påfølgende polarisatorer | og 1 / JEG omtrent |
| 1 | 90 omtrent | 0 |
| 2 | 45 omtrent | 1/2 x 1/2 = 1/4 |
| 3 | 30 omtrent | 3/4 x 3/4 x 3/4 = 27/64 |
| N | 90 / N | [cos 2 (90 omtrent / N)] N |
Beregning av refleksjonsvinkelen til Brewster
Når lys treffer en overflate, noe av lysetreflekteres, og en del trenger inn (bryter). Den relative mengden av denne refleksjonen og refraksjonen avhenger av stoffene som passerer gjennom lyset og også av vinkelen lyset treffer overflaten i. Det er en optimal vinkel, avhengig av stoffene, som gjør at lys kan brytes (penetreres) så mye som mulig. Denne optimale vinkelen er kjent som vinkelen til den skotske fysikeren David Brewster.
Brewster-vinkelen for normalt polarisert hvitt lys beregnes med formelen:
theta = arctan (n1 / n2),
hvor theta er Brewster-vinkelen og n1 og n2 er brytningsindeksene til de to mediene.
For å beregne den beste vinkelen for maksimumpenetrering av lys gjennom glass - fra tabellen over brytningsindekser, finner vi at brytningsindeksen for luft er 1,00, og brytningsindeksen for glass er 1,50.
Brewster-vinkelen vil være arctan (1,50 / 1,00) = arctan (1,50) = 56 grader (ca.).
Beregner den beste lysvinkelen for maksimal vanninntrengning. Fra tabellen for brytningsindeks følger det at indeksen for luft er 1,00, og brytningsindeksen for vann er 1,33.
Brewster-vinkelen vil være arctan (1,33 / 1,00) = arctan (1,33) = 53 grader (ca.).
Anvendelse av polarisert lys
En vanlig mann i gaten forestiller seg ikke enganghvor intensivt polarisatorer brukes i verden. Polarisasjonen av lyset fra Malus 'lov omgir oss overalt. For eksempel populære gjenstander som Polaroid solbriller og bruk av spesielle polariserende filtre for kameralinser. Ulike vitenskapelige instrumenter bruker polarisert lys som sendes ut av lasere eller av polariserende glødelamper og fluorescerende kilder.
Polarisatorer brukes noen ganger til belysningrom og scener for å redusere gjenskinn og gi mer jevn belysning og som briller for å gi en synlig dybdefølelse til 3D-filmer. Krysspolarisatorer brukes til og med i romdrakter for drastisk å redusere mengden lys fra solen som kommer inn i astronautens øyne mens han sover.
Hemmeligheter med optikk i naturen
Hvorfor er himmelen blå, rød solnedgang og hvitskyer? Alle kjenner disse spørsmålene fra barndommen. Malus 'og Brewsters lover forklarer disse naturlige effektene. Himmelen vår er veldig fargerik takket være solen. Det lyse hvite lyset har alle regnbuens farger innebygd inne: rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo og lilla. Under visse forhold møter en person enten en regnbue eller en solnedgang eller en grå sen kveld. Himmelen er blå på grunn av "spredning" av sollys. Blå har kortere bølgelengde og mer energi enn andre farger.
Som et resultat absorberes blått selektivtluftmolekyler og deretter frigjøres igjen i alle retninger. Andre farger er mindre spredt og derfor vanligvis ikke synlige. Middagssolen er gul og absorberer den blå. Ved soloppgang eller solnedgang trenger sollys inn i lav vinkel og må passere gjennom en stor tykkelse av atmosfæren. Som et resultat blir blått forsiktig spredt, slik at det meste absorberes fullstendig av luften, tapt og spredt andre farger, spesielt oransje og rødt, og skaper en strålende horisont av farger.
Sollysfarger er også ansvarlige for altnyanser som vi elsker på jorden, det være seg grønt gress eller turkis hav. Overflaten på hvert objekt velger spesifikke farger som det vil reflektere for å skille seg ut. Skyer er ofte skinnende hvite fordi de er flotte reflektorer eller diffusorer av hvilken som helst farge. Alle returnerte farger blir lagt sammen til nøytral hvit. Noen materialer gjenspeiler alle farger jevnt, for eksempel melk, kritt og sukker.
Verdien av polarisasjonsfølsomhet i astronomi
Lenge studert Malus 'loveffektpolarisering i astronomi ble ignorert. Starlight er nesten helt ikke-polarisert og kan brukes som standard. Tilstedeværelsen av polarisert lys i astronomi kan fortelle oss om hvordan lys ble skapt. I noen supernovaer er ikke det utsendte lyset upolarisert. Avhengig av hvilken del av stjernen som overveies, kan en annen polarisering sees.
Denne informasjonen om polarisering av lys fra forskjellige regioner i tåken kan gi forskere en anelse om plasseringen av den skyggelagte stjernen.
I andre tilfeller, ved tilstedeværelse av polarisert lysdu kan avsløre informasjon om hele den usynlige galaksen. En annen bruk av polarisasjonsfølsomme målinger i astronomi er å oppdage tilstedeværelsen av magnetfelt. Ved å studere den sirkulære polarisasjonen av veldig spesifikke farger av lys som kommer fra solens korona, har forskere funnet ut informasjon om styrken til magnetfeltet på disse stedene.
Optisk mikroskopi
Det polariserte lysmikroskopet er designet for åfor å observere og fotografere prøver som er synlige på grunn av deres optisk anisotrope natur. Anisotrope materialer har optiske egenskaper som endrer seg med forplantningsretningen for lys som passerer gjennom dem. For å utføre denne oppgaven må mikroskopet være utstyrt med både en polarisator plassert i lysveien et sted foran prøven og en analysator (en annen polarisator) plassert i den optiske banen mellom den objektive bakre åpningen og visningsrørene eller kameraporten .
Anvendelser av polarisering i biomedisin
Denne trenden, populær i dag, er basert påpå det faktum at i kroppene våre er det mange forbindelser som er optisk aktive, det vil si at de kan rotere polarisasjonen av lyset som går gjennom dem. Ulike optisk aktive forbindelser kan rotere polarisasjonen av lys i forskjellige mengder og i forskjellige retninger.
Noen optisk aktive kjemikaliertil stede i høyere konsentrasjoner i de tidlige stadiene av øyesykdom. Leger kan potensielt bruke denne kunnskapen til å diagnostisere øyesykdommer i fremtiden. Man kan forestille seg at legen skinner en polarisert lyskilde inn i pasientens øye og måler polarisasjonen av lyset som reflekteres fra netthinnen. Det brukes som en ikke-invasiv metode for testing av øyesykdommer.
Vår tids gave - LCD-skjerm
Hvis du ser nøye på LCD-skjermen, kan dulegg merke til at bildet er et stort utvalg av fargede firkanter arrangert i et rutenett. I dem ble Malus 'lov anvendt, og fysikken i prosessen skapte forhold når hver firkant eller piksel har sin egen farge. Denne fargen er en kombinasjon av rødt, grønt og blått lys ved hver intensitet. Disse primærfargene kan gjengi hvilken som helst farge som det menneskelige øye kan se, fordi øynene våre er trikratiske.
Med andre ord tilnærmer de spesifikke bølgelengder av lys ved å analysere intensiteten til hver av de tre fargekanalene.
Skjermer utnytter bare denne feilenviser tre bølgelengder som selektivt retter seg mot hver type reseptor. Den flytende krystallfasen eksisterer i grunntilstand, der molekylene er orientert i lag, og hvert påfølgende lag krøller seg litt for å danne et spiralmønster.
LCD med syv segment flytende krystallskjerm:
- Positiv elektrode.
- Negativ elektrode.
- Polarisator 2.
- Vise.
- Polarisator 1.
- Flytende krystall.
Her er LCD mellom to glassplater,som er utstyrt med elektroder. LC er gjennomsiktige kjemiske forbindelser med "vridde molekyler" kalt flytende krystaller. Fenomenet optisk aktivitet i noen kjemikalier skyldes deres evne til å rotere planet for polarisert lys.
Stereopsis 3D-filmer
Polarisering tillater den menneskelige hjernefalsk 3D ved å analysere forskjellene mellom to bilder. Mennesker kan ikke se i tre dimensjoner; øynene våre kan bare se i todimensjonale bilder. Hjernen vår kan imidlertid finne ut hvor langt unna objekter er ved å analysere forskjellene i hva hvert øye ser. Denne prosessen er kjent som Stereopsis.
Siden hjernen vår bare kan se pseudo 3D,filmskapere kan bruke denne prosessen til å skape en illusjon av tre dimensjoner uten å ty til hologrammer. Alle 3D-filmer fungerer ved å levere to fotografier, en for hvert øye. På 1950-tallet hadde polarisering blitt den dominerende metoden for bildeseparasjon. Teatre begynte å ha to projektorer som jobbet samtidig, med en lineær polarisator over hver linse.
For den nåværende generasjonen av 3D-filmer, teknologibyttet til sirkulær polarisering, som tar seg av orienteringsproblemet. Denne teknologien produseres for tiden av RealD og utgjør 90% av 3D-markedet. RealD har gitt ut et sirkulært filter som skifter veldig raskt mellom klokken og mot klokken, så bare en projektor brukes i stedet for to.
