Trudno jest określić, kto jako pierwszy odkrył spolaryzowaneblask. Starożytni ludzie mogli zauważyć dziwne miejsce, patrząc w niebo w określonych kierunkach. Polaryzacja ma wiele dziwactw, przejawia się w różnych dziedzinach życia, a dziś jest przedmiotem masowych badań i zastosowań, powodem wszystkiego jest prawo Malusa.
Odkrycie światła spolaryzowanego
Wikingowie mogli stosować polaryzacjęniebo do nawigacji. Nawet jeśli tego nie zrobili, na pewno odkryli Islandię i wspaniały kamień kalcytowy. Islandzki dźwigar (kalcyt) był znany już w swoich czasach, to mieszkańcom Islandii zawdzięcza swoją nazwę. Minerał był kiedyś używany w nawigacji ze względu na jego wyjątkowe właściwości optyczne. Odegrał główną rolę we współczesnym odkryciu polaryzacji i nadal jest preferowanym materiałem do oddzielania polaryzacyjnych składników światła.
W 1669 roku duński matematyk z KopenhagiUniwersytet Erasmusa Bartholinusa nie tylko ujrzał podwójne światło, ale także przeprowadził kilka eksperymentów, pisząc 60-stronicowe wspomnienia. Był to pierwszy naukowy opis efektu polaryzacji, a autora można uznać za odkrywcę tej niesamowitej właściwości światła.
Christian Huygens opracował falę tętnateorię światła, którą opublikował w 1690 roku w swojej słynnej książce Traite de la Lumiere. W tym samym czasie Izaak Newton rozwinął korpuskularną teorię światła w swojej książce Opticks (1704). Ostatecznie obie były dobre i złe, ponieważ światło ma dwoistą naturę (fala i cząstka). Jednak Huygens był bliżej współczesnego rozumienia tego procesu.
W 1801 roku Thomas Jung rozsławiłeksperyment interferencyjny z dwoma szczelinami. Udowodniono, że światło zachowuje się jak fale, a superpozycja fal może prowadzić do ciemności (destrukcyjna interferencja). Wykorzystał swoją teorię, aby wyjaśnić takie rzeczy, jak pierścienie Newtona i nadprzyrodzone łuki tęczowe. Przełom w nauce nastąpił kilka lat później, kiedy Jung wykazał, że polaryzacja wynika z poprzecznej fali natury światła.
Młody Etienne Louis Malus żył w burzliwej epoce - w czasieczas rewolucji francuskiej i panowania terroru. Brał udział z armią Napoleona w inwazji na Egipt, a także w Palestynie i Syrii, gdzie zaraził się zarazą, która zabiła go kilka lat później. Ale udało mu się wnieść ważny wkład w zrozumienie polaryzacji. Prawo Malusa, które przewidywało natężenie światła przepuszczanego przez polaryzator, stało się jednym z najpopularniejszych w XXI wieku przy tworzeniu ekranów ciekłokrystalicznych.
Sir David Brewster, znany pisarz naukowy,studiował przedmioty z fizyki optycznej, takie jak dichroizm i widma absorpcyjne, a także bardziej popularne tematy, takie jak fotografia stereofoniczna. Zwrot słynnego Brewstera: „Wszystko jest przezroczyste, z wyjątkiem szkła”.
Wniósł także nieoceniony wkład w badanie światła:
- Prawo określające „kąt polaryzacji”.
- Wynalazek kalejdoskopu.
Brewster powtarzał eksperymenty Malusa dla wielukamienie szlachetne i inne materiały, po odkryciu anomalii szkła i odkryciu prawa - „kąta Brewstera”. W jego słowach „… kiedy wiązka jest spolaryzowana, odbita wiązka tworzy kąt prosty z załamaną wiązką”.
Prawo polaryzacji Malusa
Zanim zaczniesz mówić o polaryzacji, musisz najpierwpamiętajcie o świetle. Światło to fala, chociaż czasami jest to cząstka. W każdym razie polaryzacja ma sens, jeśli wyobrażamy sobie światło jako falę, jako linię, która przemieszcza się od lampy do oczu. Większość światła to mieszanka fal świetlnych, które wibrują we wszystkich kierunkach. Ten kierunek wibracji nazywany jest polaryzacją światła. Polaryzator to urządzenie, które czyści ten bałagan. Przyjmuje wszystko, co miesza światło i przepuszcza tylko światło, które wibruje w jednym określonym kierunku.
Sformułowanie Prawa Malus brzmi następująco:Gdy na analizator pada całkowicie płaskie światło spolaryzowane, natężenie światła przepuszczanego przez analizator jest wprost proporcjonalne do kwadratu cosinusa kąta między osiami transmisji analizatora a polaryzatorem.
Poprzeczna fala elektromagnetyczna zawiera obapola elektryczne i magnetyczne, a pole elektryczne w fali świetlnej jest prostopadłe do kierunku propagacji fali świetlnej. Kierunek drgań światła to wektor elektryczny E.
Dla konwencjonalnej niespolaryzowanej wiązkiwektor elektryczny nadal losowo zmienia swój kierunek, kiedy światło przechodzi przez polaroid, powstałe światło jest spolaryzowane płasko, a jego wektor elektryczny wibruje w określonym kierunku. Kierunek wektora powstającej wiązki zależy od orientacji polaroidu, a płaszczyzna polaryzacji jest zaprojektowana jako płaszczyzna zawierająca wektor E i wiązkę światła.
Poniższy rysunek przedstawia płaskie światło spolaryzowane dzięki pionowej EI i poziomej EII.
Niespolaryzowane światło przechodzi przez Polaroid P.1, a następnie przez Polaroid P 2, tworząc kąt θ z y ax-s. Po tym, jak światło propagujące się w kierunku x przejdzie przez Polaroid P 1, wektor elektryczny powiązany ze światłem spolaryzowanym będzie wibrował tylko wzdłuż osi y.
Teraz, jeśli pozwolimy na to spolaryzowanewiązka ponownie przechodzi przez spolaryzowany P 2, tworząc kąt θ z osią y, to jeśli E 0 jest amplitudą padającego pola elektrycznego na P 2, to amplituda fali wychodzącej z P 2 będzie równa E 0 cosθ, a zatem natężenie powstającej wiązki będzie zgodne z prawem Malusa (wzorem) I = I 0 cos 2 θ
gdzie I 0 jest natężeniem wiązki wychodzącej z P 2, gdy θ = 0 θ jest kątem między płaszczyznami transmisji analizatora i polaryzatora.
Przykład obliczenia natężenia światła
Prawo Malusa: Ja 1 = Ja o cos 2 (q);
gdzie q jest kątem między kierunkiem polaryzacji światła a osią transmisji polaryzatora.
Światło niespolaryzowane o natężeniu I o = 16W / m2 przypada na parę polaryzatorów. Pierwszy polaryzator ma oś transmisji ustawioną pod kątem 50 stopni od pionu. Drugi polaryzator ma oś transmisji ustawioną w odległości 20 ° od pionu.
Test Prawa Malusa można przeprowadzić, obliczając natężenie światła, gdy wychodzi ono z pierwszego polaryzatora:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
Światło nie jest spolaryzowane, więc I 1 = 1/2 I o = 8 W / m 2.
Natężenie światła z drugiego polaryzatora:
I 2 = 4 W / m 2
I 2 = 8 cos 2 20 o
I 2 = 6 W / m 2
Po tym następuje sformułowanie Prawa Malusaco potwierdza, że kiedy światło wychodzi z pierwszego polaryzatora, jest spolaryzowane liniowo pod kątem 50o. Kąt między nim a osią transmisji drugiego polaryzatora wynosi 30 °. W związku z tym:
I 2 = I 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 W / m 2.
Teraz polaryzacja liniowa wiązki światła o natężeniu 16 W / m 2 przypada na tę samą parę polaryzatorów. Kierunek polaryzacji padającego światła wynosi 20o od pionu.
Intensywność światła wychodzącego z pierwszego i oddrugie polaryzatory. Przechodząc przez każdy polaryzator, intensywność spada 3/4 razy. Po wyjściu z pierwszego polaryzatora natężenie wynosi 16 * 3/4 = 12 W / m 2 i spada do 12 * 3/4 = 9 W / m 2 po przejściu przez drugi.
Polaryzacja według prawa Malusa mówi, że aby zmienić kierunek światła z jednego kierunku polaryzacji na inny, strata intensywności jest zmniejszona przez zastosowanie większej liczby polaryzatorów.
Załóżmy, że chcesz obrócić kierunek polaryzacji o 90około.
| N, liczba polaryzatorów | Kąt pomiędzy kolejnymi polaryzatorami | I 1 / JA około |
| 1 | 90 około | 0 |
| 2 | 45 około | 1/2 x 1/2 = 1/4 |
| 3 | 30 około | 3/4 x 3/4 x 3/4 = 27/64 |
| N | 90 / N | [sałata 2 (90 około / N)] N |
Obliczanie kąta odbicia Brewstera
Kiedy światło pada na powierzchnię, część światłaodbite, a część przenika (załamuje się). Względna wielkość tego odbicia i załamania zależy od substancji przechodzących przez światło, a także od kąta, pod jakim światło pada na powierzchnię. W zależności od substancji istnieje optymalny kąt, który pozwala na maksymalne załamanie (penetrację) światła. Ten optymalny kąt jest znany jako kąt szkockiego fizyka Davida Brewstera.
Kąt Brewstera dla normalnego spolaryzowanego światła białego oblicza się według wzoru:
theta = arctan (n1 / n2),
gdzie theta to kąt Brewstera, a n1 i n2 to współczynniki załamania światła dwóch ośrodków.
Aby obliczyć najlepszy kąt dla maksimumprzenikanie światła przez szkło - z tabeli współczynników załamania światła widzimy, że współczynnik załamania światła dla powietrza wynosi 1,00, a dla szkła 1,50.
Kąt Brewstera wyniesie arctan (1,50 / 1,00) = arctan (1,50) = 56 stopni (w przybliżeniu).
Oblicza najlepszy kąt światła dla maksymalnej penetracji wody. Z tabeli współczynnika załamania światła wynika, że współczynnik załamania światła dla powietrza wynosi 1,00, a dla wody 1,33.
Kąt Brewstera wyniesie arctan (1,33 / 1,00) = arctan (1,33) = 53 stopnie (w przybliżeniu).
Zastosowanie światła spolaryzowanego
Zwykły człowiek na ulicy nawet sobie tego nie wyobrażajak intensywnie na świecie używane są polaryzatory. Polaryzacja światła prawa Malusa otacza nas wszędzie. Na przykład popularne przedmioty, takie jak okulary przeciwsłoneczne Polaroid i użycie specjalnych filtrów polaryzacyjnych do obiektywów aparatu. Różne instrumenty naukowe wykorzystują spolaryzowane światło emitowane przez lasery lub polaryzacyjne lampy żarowe i źródła fluorescencyjne.
Czasami do oświetlenia używa się polaryzatorówpokoje i sceny redukujące odblaski i zapewniające bardziej równomierne oświetlenie oraz jako okulary dające widoczne poczucie głębi filmom 3D. Skrzyżowane polaryzatory są nawet używane w kombinezonach kosmicznych, aby drastycznie zmniejszyć ilość światła słonecznego wpadającego do oczu astronauty podczas snu.
Tajemnice optyki w przyrodzie
Dlaczego niebo jest niebieskie, czerwony zachód słońca i białychmury? Wszyscy znają te pytania od dzieciństwa. Prawa Malusa i Brewstera wyjaśniają te naturalne efekty. Dzięki słońcu nasze niebo jest naprawdę kolorowe. Jego jasne, białe światło ma wszystkie kolory tęczy osadzone w środku: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. W pewnych warunkach osoba napotyka tęczę, zachód słońca lub szary późny wieczór. Niebo jest niebieskie z powodu „rozpraszania” światła słonecznego. Niebieski ma krótszą długość fali i więcej energii niż inne kolory.
W rezultacie niebieski jest selektywnie wchłanianycząsteczki powietrza, a następnie ponownie uwolnione we wszystkich kierunkach. Inne kolory są mniej rozproszone i dlatego zwykle nie są widoczne. Południowe słońce jest żółte, wchłaniając swój niebieski. O wschodzie lub zachodzie słońca światło słoneczne przenika pod niewielkim kątem i musi przechodzić przez dużą grubość atmosfery. W rezultacie niebieski jest starannie rozproszony, dzięki czemu jego większość jest całkowicie wchłaniana przez powietrze, tracąc i rozpraszając inne kolory, zwłaszcza pomarańczowy i czerwony, tworząc wspaniały horyzont kolorów.
Za wszystko odpowiadają też barwy światła słonecznegoodcienie, które kochamy na Ziemi, czy to zielona trawa, czy turkusowy ocean. Powierzchnia każdego obiektu dobiera określone kolory, które będzie odbijać, aby się wyróżniać. Chmury są często lśniąco białe, ponieważ są świetnymi reflektorami lub dyfuzorami dowolnego koloru. Wszystkie zwrócone kolory są dodawane do neutralnej bieli. Niektóre materiały równomiernie odbijają wszystkie kolory, na przykład mleko, kreda i cukier.
Wartość wrażliwości polaryzacyjnej w astronomii
Długo studiowałem efekt prawa Malusapolaryzacja w astronomii została zignorowana. Starlight jest prawie całkowicie niespolaryzowane i może być używane jako standard. Obecność światła spolaryzowanego w astronomii może nam powiedzieć o tym, jak powstało światło. W przypadku niektórych supernowych emitowane światło nie jest niespolaryzowane. W zależności od rozważanej części gwiazdy można zauważyć inną polaryzację.
Ta informacja o polaryzacji światła z różnych regionów mgławicy może dostarczyć badaczom wskazówki na temat lokalizacji zacienionej gwiazdy.
W innych przypadkach przez obecność światła spolaryzowanegomożesz ujawnić informacje o całej części niewidzialnej galaktyki. Innym zastosowaniem pomiarów wrażliwych na polaryzację w astronomii jest wykrywanie obecności pól magnetycznych. Badając polaryzację kołową bardzo specyficznych kolorów światła emanującego z korony słonecznej, naukowcy odkryli informacje o sile pola magnetycznego w tych miejscach.
Mikroskopia optyczna
Mikroskop światła spolaryzowanego jest do tego przeznaczonydo obserwacji i fotografowania próbek, które są widoczne ze względu na ich optycznie anizotropowy charakter. Materiały anizotropowe mają właściwości optyczne, które zmieniają się wraz z kierunkiem propagacji przechodzącego przez nie światła. Aby wykonać to zadanie, mikroskop musi być wyposażony zarówno w polaryzator umieszczony na drodze światła gdzieś przed próbką, jak i analizator (drugi polaryzator) umieszczony na drodze optycznej między tylnym otworem obiektywu a tubusami lub portem kamery. .
Zastosowania polaryzacji w biomedycynie
Ten popularny dziś trend opiera się nana tym, że w naszych ciałach znajduje się wiele związków, które są optycznie czynne, to znaczy mogą obracać polaryzację przechodzącego przez nie światła. Różne związki optycznie czynne mogą zmieniać polaryzację światła w różnych ilościach i w różnych kierunkach.
Niektóre optycznie aktywne chemikaliawystępuje w wyższych stężeniach we wczesnych stadiach choroby oczu. Lekarze mogą potencjalnie wykorzystać tę wiedzę do diagnozowania chorób oczu w przyszłości. Można sobie wyobrazić, że lekarz kieruje do oka pacjenta spolaryzowane źródło światła i mierzy polaryzację światła odbitego od siatkówki. Jest stosowana jako nieinwazyjna metoda badania chorób oczu.
Prezent naszych czasów - ekran LCD
Jeśli przyjrzysz się uważnie ekranowi LCD, możeszzwróć uwagę, że obraz to duża tablica kolorowych kwadratów ułożonych w siatkę. Zastosowano w nich prawo Malusa, fizyka procesu, w którym powstały warunki, w których każdy kwadrat lub piksel ma swój własny kolor. Ten kolor to połączenie czerwonego, zielonego i niebieskiego światła o każdym natężeniu. Te kolory podstawowe mogą odtworzyć każdy kolor, który widzi ludzkie oko, ponieważ nasze oczy są trójchromatyczne.
Innymi słowy, przybliżają określone długości fal światła, analizując intensywność każdego z trzech kanałów koloru.
Wyświetlacze wykorzystują tylko tę wadęwyświetlanie trzech długości fal, które selektywnie celują w każdy typ receptora. Faza ciekłokrystaliczna istnieje w stanie podstawowym, w którym cząsteczki są ułożone warstwami, a każda kolejna warstwa lekko się zwija, tworząc spiralny wzór.
LCD z siedmiosegmentowym wyświetlaczem ciekłokrystalicznym:
- Elektroda dodatnia.
- Elektroda ujemna.
- Polaryzator 2.
- Wyświetl
- Polaryzator 1.
- Płynny kryształ.
Tutaj LCD znajduje się między dwiema szklanymi płytami,które są wyposażone w elektrody. LC to przezroczyste związki chemiczne zawierające „skręcone cząsteczki” zwane ciekłymi kryształami. Zjawisko aktywności optycznej niektórych chemikaliów wynika z ich zdolności do obracania płaszczyzny światła spolaryzowanego.
Filmy stereoskopowe 3D
Polaryzacja pozwala ludzkiemu mózgowifałszywe 3D poprzez analizę różnic między dwoma obrazami. Ludzie nie widzą w trzech wymiarach; nasze oczy widzą tylko w dwuwymiarowych obrazach. Jednak nasz mózg może dowiedzieć się, jak daleko znajdują się obiekty, analizując różnice w tym, co widzi każde oko. Ten proces jest znany jako Stereopsis.
Ponieważ nasz mózg widzi tylko pseudo 3D,filmowcy mogą wykorzystać ten proces do stworzenia iluzji trójwymiarowości bez uciekania się do hologramów. Wszystkie filmy 3D działają, dostarczając dwa zdjęcia, po jednym dla każdego oka. W latach pięćdziesiątych dominującą metodą separacji obrazu stała się polaryzacja. W teatrach zaczęły pracować jednocześnie dwa projektory, z liniowym polaryzatorem nad każdą soczewką.
Dla obecnej generacji filmów 3D, technologiaprzełączono na polaryzację kołową, która rozwiązuje problem orientacji. Ta technologia jest obecnie produkowana przez RealD i stanowi 90% rynku 3D. RealD wypuściło okrągły filtr, który bardzo szybko przełącza się między polaryzacją zgodną z ruchem wskazówek zegara i przeciwną do ruchu wskazówek zegara, więc używany jest tylko jeden projektor zamiast dwóch.
