Este dificil să identificăm cine a fost primul care a descoperit polarizareastrălucire. Oamenii antici ar putea observa un loc aparte când privesc cerul în anumite direcții. Polarizarea are multe ciudățenii, se manifestă în diferite domenii ale vieții și astăzi face obiectul cercetării și aplicării în masă, motivul pentru toate este legea lui Malus.
Descoperirea luminii polarizate
Este posibil ca vikingii să fi folosit polarizareacerul pentru navigație. Chiar dacă nu au făcut-o, au descoperit cu siguranță Islanda și minunata piatră de calcit. Spargul islandez (calcitul) era cunoscut în vremurile lor, locuitorilor din Islanda îi datorează numele. Mineralul a fost cândva folosit în navigație datorită proprietăților sale optice unice. A jucat un rol major în descoperirea modernă a polarizării și continuă să fie materialul preferat pentru separarea componentelor polarizante ale luminii.
În 1669, un matematician danez din CopenhagaUniversitatea Erasmus Bartholinus nu numai că a văzut o lumină dublă, dar a realizat și câteva experimente, scriind un memoriu de 60 de pagini. Aceasta a fost prima descriere științifică a efectului de polarizare, iar autorul poate fi considerat descoperitorul acestei proprietăți uimitoare a luminii.
Christian Huygens a dezvoltat o undă pulsatăteoria luminii, pe care a publicat-o în 1690 în celebra sa carte Traite de la Lumiere. În același timp, Isaac Newton a avansat teoria corpusculară a luminii în cartea sa Opticks (1704). În cele din urmă, ambele au fost corecte și greșite, deoarece lumina are o natură duală (undă și particulă). Cu toate acestea, Huygens era mai aproape de înțelegerea modernă a procesului.
În 1801 Thomas Jung a făcut faimosulun experiment de interferență cu două fante. S-a dovedit că lumina se comportă ca undele, iar suprapunerea undelor poate duce la întuneric (interferență distructivă). El și-a folosit teoria pentru a explica lucruri precum inelele lui Newton și arcurile curcubeului supranaturale. O descoperire în știință a venit câțiva ani mai târziu, când Jung a arătat că polarizarea apare din natura undelor transversale a luminii.
Tânărul Etienne Louis Malus a trăit într-o eră tulbure - în timpultimpul Revoluției Franceze și domnia terorii. A participat împreună cu armata lui Napoleon la invaziile Egiptului, precum și în Palestina și Siria, unde a contractat ciuma, care l-a ucis câțiva ani mai târziu. Dar a reușit să aducă o contribuție importantă la înțelegerea polarizării. Legea lui Malus, care a prezis intensitatea luminii transmise printr-un polarizator, a devenit una dintre cele mai populare din secolul XXI pentru crearea ecranelor cu cristale lichide.
Sir David Brewster, renumit scriitor științific,au studiat subiecte de fizică optică, cum ar fi dicroismul și spectrele de absorbție, precum și subiecte mai populare, cum ar fi fotografia stereofonică. Fraza celebrului Brewster: „Totul este transparent, cu excepția sticlei”.
De asemenea, el a adus contribuții neprețuite la studiul luminii:
- Legea care descrie „unghiul de polarizare”.
- Invenția caleidoscopului.
Brewster a repetat experimentele lui Malus pentru mulțipietre prețioase și alte materiale, după ce au descoperit anomalia sticlei și au descoperit legea - „unghiul lui Brewster”. În cuvintele sale, „... când raza este polarizată, raza reflectată formează un unghi drept cu raza refractată”.
Legea polarizării lui Malus
Înainte de a vorbi despre polarizare, trebuie mai întâiamintește-ți de lumină. Lumina este o undă, deși uneori este o particulă. Dar, în orice caz, polarizarea are sens dacă ne gândim la lumină ca la o undă, ca la o linie în timp ce se deplasează de la lampă la ochi. Cea mai mare lumină este o mizerie mixtă de unde luminoase care vibrează în toate direcțiile. Această direcție de vibrație se numește polarizarea luminii. Un polarizator este un dispozitiv care curăță această mizerie. Acceptă orice amestecă lumina și lasă să treacă doar lumina care vibrează într-o anumită direcție.
Formularea Legii Malus sună astfel:Când lumina polarizată complet plană este incidentă pe analizor, intensitatea luminii transmise de analizor este direct proporțională cu pătratul cosinusului unghiului dintre axele de transmisie ale analizorului și polarizator.
Unda electromagnetică transversală conține ambelecâmpurile electrice și magnetice, iar câmpul electric într-o undă luminoasă este perpendicular pe direcția de propagare a undei luminoase. Direcția vibrației luminii este vectorul electric E.
Pentru un fascicul nepolarizat convenționalvectorul electric continuă să-și schimbe direcția în mod aleatoriu, când lumina este trecută prin polaroid, lumina rezultată este plan polarizată cu vectorul său electric care vibrează într-o direcție specifică. Direcția vectorului fasciculului emergent depinde de orientarea polaroidului, iar planul de polarizare este conceput ca un plan care conține vectorul E și fasciculul de lumină.
Figura de mai jos prezintă lumină polarizată plană datorită EI verticală și EII orizontală.
Lumina nepolarizată trece prin Polaroid P1, apoi prin Polaroid P 2, formând un unghi θ cu y ax-s. După ce lumina care se propagă de-a lungul direcției x trece prin Polaroid P 1, vectorul electric asociat cu lumina polarizată va vibra numai de-a lungul axei y.
Acum, dacă permitem acest lucru polarizatfasciculul trece din nou prin P 2 polarizat, formând un unghi θ cu axa y, atunci dacă E 0 este amplitudinea câmpului electric incident pe P 2, atunci amplitudinea undei care iese din P 2 va fi egală cu E 0 cosθ și, prin urmare, intensitatea fasciculului emergent va fi conform Legii lui Malus (formula) I = I 0 cos 2 θ
unde I 0 este intensitatea fasciculului care iese din P 2, când θ = 0 θ este unghiul dintre planurile de transmisie ale analizorului și polarizator.
Exemplu pentru calcularea intensității luminii
Legea lui Malus: I 1 = I o cos 2 (q);
unde q este unghiul dintre direcția polarizării luminii și axa de transmisie a polarizatorului.
Lumină nepolarizată cu intensitate I o = 16W / m2 cade pe o pereche de polarizatoare. Primul polarizator are o axă de transmisie aliniată la 50 de grade față de verticală. Al doilea polarizator are o axă de transmisie aliniată la o distanță de 20 ° față de verticală.
Un test al legii lui Malus se poate face calculând care este intensitatea luminii atunci când aceasta iese din primul polarizator:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
Lumina nu este polarizată, deci I 1 = 1/2 I o = 8 W / m 2.
Intensitatea luminii de la al doilea polarizator:
I 2 = 4 W / m 2
I 2 = 8 cos 2 20 o
I 2 = 6 W / m 2
Urmează Legea Malus, formulareaceea ce confirmă faptul că atunci când lumina iese din primul polarizator, aceasta este polarizată liniar la 50o. Unghiul dintre acesta și axa de transmisie a celui de-al doilea polarizator este de 30 de grade. Prin urmare:
I 2 = I 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 W / m 2.
Acum polarizarea liniară a fasciculului de lumină cu o intensitate de 16 W / m 2 cade pe aceeași pereche de polarizatori. Direcția de polarizare a luminii incidente este de 20o față de verticală.
Intensitatea luminii care iese din prima și dinal doilea polarizator. Trecând prin fiecare polarizator, intensitatea scade de 3/4 ori. După părăsirea primului polarizator, intensitatea este de 16 * 3/4 = 12 W / m 2 și scade la 12 * 3/4 = 9 W / m 2 după ce a trecut prin al doilea.
Polarizarea legii lui Malus spune că pentru a transforma lumina dintr-o direcție de polarizare în alta, pierderea de intensitate este redusă prin utilizarea mai multor polarizatori.
Să presupunem că doriți să rotiți direcția de polarizare 90o.
| N, număr de polarizatori | Unghiul dintre polarizatorii succesivi | și 1 / Eu o |
| 1 | 90 o | 0 |
| 2 | 45 o | 1/2 x 1/2 = 1/4 |
| 3 | 30 o | 3/4 x 3/4 x 3/4 = 27/64 |
| N | 90 / N | [cos 2 (90 o / N)] N |
Calculul unghiului de reflecție Brewster
Când lumina lovește o suprafață, o parte din luminăreflectată și o parte pătrunde (se refractează). Cantitatea relativă a acestei reflexii și refracții depinde de substanțele care trec prin lumină și, de asemenea, de unghiul la care lumina lovește suprafața. Există un unghi optim, în funcție de substanțe, care permite luminii să fie refractată (pătrunsă) cât mai mult posibil. Acest unghi optim este cunoscut ca unghiul fizicianului scoțian David Brewster.
Unghiul Brewster pentru lumina albă polarizată normală este calculat folosind formula:
theta = arctan (n1 / n2),
unde theta este unghiul Brewster și n1 și n2 sunt indicii de refracție ai celor două medii.
Pentru a calcula cel mai bun unghi pentru maximpătrunderea luminii prin sticlă - din tabelul indicilor de refracție, constatăm că indicele de refracție pentru aer este de 1,00, iar indicele de refracție pentru sticlă este de 1,50.
Unghiul Brewster va fi arctan (1,50 / 1,00) = arctan (1,50) = 56 grade (aproximativ).
Calculul celui mai bun unghi de lumină pentru penetrarea maximă a apei. Din tabelul indicilor de refracție rezultă că indicele pentru aer este de 1,00, iar indicele de refracție pentru apă este de 1,33.
Unghiul Brewster va fi arctan (1,33 / 1,00) = arctan (1,33) = 53 grade (aproximativ).
Aplicarea luminii polarizate
Un om obișnuit pe stradă nici nu își imagineazăcât de intens sunt folosiți polarizatorii în lume. Polarizarea luminii legii lui Malus ne înconjoară peste tot. De exemplu, obiecte populare, cum ar fi ochelarii de soare Polaroid și utilizarea filtrelor de polarizare speciale pentru obiectivele camerei. Diverse instrumente științifice utilizează lumina polarizată emisă de lasere sau de lămpile polarizate cu incandescență și sursele fluorescente.
Polarizatoarele sunt uneori folosite pentru iluminatcamere și scene pentru a reduce strălucirea și pentru a oferi o iluminare mai uniformă și ca ochelari pentru a da un sentiment vizibil de adâncime filmelor 3D. Polarizatoarele încrucișate sunt utilizate chiar și în costume spațiale pentru a reduce drastic cantitatea de lumină de la soare care intră în ochii astronautului în timp ce dormi.
Secretele opticii în natură
De ce este cerul albastru, apusul roșu și albulnori? Toată lumea știe aceste întrebări încă din copilărie. Legile lui Malus și ale lui Brewster explică aceste efecte naturale. Cerul nostru este cu adevărat colorat datorită soarelui. Lumina sa albă strălucitoare are toate culorile curcubeului încorporate în interior: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet. În anumite condiții, o persoană întâlnește fie un curcubeu, fie un apus de soare, fie o seară târzie gri. Cerul este albastru datorită „împrăștierii” luminii solare. Albastrul are o lungime de undă mai mică și mai multă energie decât alte culori.
Ca urmare, albastrul este absorbit selectivmolecule de aer și apoi eliberate din nou în toate direcțiile. Alte culori sunt mai puțin împrăștiate și, prin urmare, de obicei nu sunt vizibile. Soarele de la amiază este galben, absorbându-și albastrul. La răsăritul soarelui sau la apusul soarelui, lumina soarelui pătrunde într-un unghi mic și trebuie să treacă printr-o grosime mare a atmosferei. Drept urmare, albastrul este împrăștiat cu atenție, astfel încât cea mai mare parte a acestuia este complet absorbit de aer, pierdându-se și împrăștiate alte culori, în special portocaliu și roșu, creând un orizont glorios de culori.
Culorile luminii solare sunt, de asemenea, responsabile pentru oricenuanțe pe care le iubim pe Pământ, fie că este vorba de iarbă verde sau ocean turcoaz. Suprafața fiecărui obiect alege culori specifice pe care le va reflecta pentru a se distinge. Norii sunt de multe ori alb strălucitor, deoarece sunt reflectoare excelente sau difuzori de orice culoare. Toate culorile returnate sunt adăugate la alb neutru. Unele materiale reflectă uniform toate culorile, cum ar fi laptele, creta și zahărul.
Valoarea sensibilității la polarizare în astronomie
Mult timp studiind efectul legii lui Maluspolarizarea în astronomie a fost ignorată. Starlight este aproape complet nepolarizat și poate fi folosit ca standard. Prezența luminii polarizate în astronomie ne poate spune despre modul în care a fost creată lumina. La unele supernove, lumina emisă nu este nepolarizată. În funcție de partea stelei care este contemplată, se poate observa o polarizare diferită.
Aceste informații despre polarizarea luminii din diferite regiuni ale nebuloasei ar putea oferi cercetătorilor un indiciu cu privire la locația stelei umbrite.
În alte cazuri, prin prezența luminii polarizateputeți dezvălui informații despre întreaga parte a galaxiei invizibile. O altă utilizare a măsurătorilor sensibile la polarizare în astronomie este de a detecta prezența câmpurilor magnetice. Studiind polarizarea circulară a culorilor foarte specifice ale luminii emanate de coroana soarelui, oamenii de știință au descoperit informații despre puterea câmpului magnetic în aceste locuri.
Microscopie optică
Microscopul cu lumină polarizată este conceput pentrupentru observarea și fotografierea probelor care sunt vizibile datorită naturii lor optic anizotrope. Materialele anizotrope au proprietăți optice care se schimbă odată cu direcția de propagare a luminii care trece prin ele. Pentru a îndeplini această sarcină, microscopul trebuie să fie echipat atât cu un polarizator situat pe calea luminii undeva în fața probei, cât și cu un analizor (un al doilea polarizator) plasat în calea optică dintre deschiderea posterioară a obiectivului și tuburile de vizionare sau portul camerei .
Aplicații de polarizare în biomedicină
Această tendință, populară astăzi, se bazează pepe faptul că în corpul nostru există mulți compuși optic activi, adică pot roti polarizarea luminii care trece prin ei. Diferiți compuși optic activi pot roti polarizarea luminii în cantități diferite și în direcții diferite.
Unele substanțe chimice optic activeprezentă în concentrații mai mari în stadiile incipiente ale bolii oculare. Medicii pot folosi aceste cunoștințe pentru a diagnostica boli oculare în viitor. Se poate imagina că medicul strălucește o sursă de lumină polarizată în ochiul pacientului și măsoară polarizarea luminii reflectate de retină. Este folosit ca metodă neinvazivă pentru testarea bolilor oculare.
Cadou al timpului nostru - ecran LCD
Dacă vă uitați atent la ecranul LCD, putețiobservați că imaginea este o gamă largă de pătrate colorate dispuse într-o grilă. În ele s-a aplicat legea lui Malus, fizica procesului căreia creează condiții pentru ca fiecare pătrat sau pixel să aibă propria culoare. Această culoare este o combinație de lumină roșie, verde și albastră la fiecare intensitate. Aceste culori primare pot reproduce orice culoare pe care ochiul uman o poate vedea, deoarece ochii noștri sunt tricromatici.
Cu alte cuvinte, ele aproximează lungimi de undă specifice ale luminii analizând intensitatea fiecăruia dintre cele trei canale de culoare.
Afișajele profită doar de acest defectafișând trei lungimi de undă care vizează selectiv fiecare tip de receptor. Faza de cristal lichid există în starea fundamentală, în care moleculele sunt orientate în straturi, iar fiecare strat ulterior se îndoaie ușor pentru a forma un model spiralat.
LCD cu ecran cu cristale lichide pe șapte segmente:
- Electrod pozitiv.
- Electrod negativ.
- Polarizator 2.
- Afişa.
- Polarizator 1.
- Cristal lichid.
Aici LCD este între două plăci de sticlă,care sunt echipate cu electrozi. LC sunt compuși chimici transparenți cu „molecule răsucite” numite cristale lichide. Fenomenul activității optice în unele substanțe chimice se datorează capacității lor de a roti planul luminii polarizate.
Filme 3D cu stereopsie
Polarizarea permite creierului umanfals 3D analizând diferențele dintre două imagini. Oamenii nu pot vedea în trei dimensiuni; ochii noștri pot vedea doar în imagini bidimensionale. Cu toate acestea, creierul nostru poate afla cât de departe sunt obiectele, analizând diferențele dintre ceea ce vede fiecare ochi. Acest proces este cunoscut sub numele de Stereopsis.
Deoarece creierul nostru poate vedea doar pseudo 3D,realizatorii pot folosi acest proces pentru a crea iluzia celor trei dimensiuni fără a recurge la holograme. Toate filmele 3D funcționează livrând două fotografii, una pentru fiecare ochi. În anii 1950, polarizarea devenise metoda dominantă de separare a imaginii. Teatrele au început să aibă două proiectoare care funcționează simultan, cu un polarizator liniar deasupra fiecărui obiectiv.
Pentru generația actuală de filme 3D, tehnologiea trecut la polarizarea circulară, care se ocupă de problema orientării. Această tehnologie este produsă în prezent de RealD și reprezintă 90% din piața 3D. RealD a lansat un filtru circular care comută foarte rapid între polarizarea în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic, astfel încât se folosește un singur proiector în loc de două.
