Je ťažké rozlíšiť, kto prvý objavil polarizovanýžiariť. Starí ľudia si mohli všimnúť zvláštny bod a pohľadom na oblohu v určitých smeroch. Polarizácia má veľa vtipov, prejavuje sa v rôznych oblastiach života a dnes je predmetom hromadného výskumu a aplikácie, dôvodom všetkého je Malusov zákon.
Objav polarizovaného svetla
Vikingovia mohli použiť polarizáciuobloha pre navigáciu. Aj keby tak neurobili, potom určite objavili Island a nádherný vápencový kameň. Islandský spar (kalcit) bol známy už vo svojej dobe, za jeho meno vďačí obyvateľom Islandu. Minerál bol kedysi používaný v navigácii kvôli svojim jedinečným optickým vlastnostiam. Zohrával hlavnú úlohu v modernom objave polarizácie a naďalej je preferovaným materiálom na oddeľovanie polarizačných zložiek svetla.
V roku 1669 dánsky matematik z KodaneUniverzita Erasmus Bartholinus nielen videla dvojité svetlo, ale vykonala aj niekoľko pokusov napísaním 60-stranových monografií. Toto bol prvý vedecký opis polarizačného účinku a autor možno považovať za priekopníka tejto úžasnej vlastnosti svetla.
Christian Huygens vyvinul pulznú vlnuteóriu svetla, ktorú publikoval v roku 1690 vo svojej slávnej knihe Traite de la Lumiere. Zároveň Izaac Newton vo svojej knihe Opticks (1704) zdokonalil korpuskulárnu teóriu svetla. Výsledkom bolo, že boli správne aj nesprávne, pretože svetlo má dvojaký charakter (vlna a častice). Huygens sa však priblížil modernému pohľadu na pochopenie procesu.
V roku 1801 sa preslávil Thomas Jungexperiment s dvoma medzerami. Dokázal, že svetlo sa správa ako vlny a superpozícia vĺn môže viesť k temnote (deštruktívne rušenie). Použil svoju teóriu na vysvetlenie vecí, ako sú Newtonove prstene a nadprirodzené oblúky dúhy. Prelom vo vede nastal o niekoľko rokov neskôr, keď Jung ukázal, že polarizácia je spôsobená povahou svetla s priečnou vlnou.
Mladý Etienne Louis Malus žil počas búrlivej éryčas francúzskej revolúcie a panovania teroru. Zúčastnil sa napoleonskej armády počas invázie do Egypta, ako aj do Palestíny a Sýrie, kde sa o niekoľko rokov neskôr stal morom, ktorý ho zabil. Podarilo sa mu však významne prispieť k pochopeniu polarizácie. Malusov zákon, ktorý predpovedal intenzitu svetla prepúšťaného cez polarizátor, sa stal jedným z najpopulárnejších v 21. storočí pri vytváraní obrazoviek z tekutých kryštálov.
Sir David Brewster, známy vedecký autor,študovali predmety optickej fyziky, ako sú dichroizmus a absorpčné spektrá, ako aj obľúbenejšie predmety, ako napríklad stereofotografia. Brewsterova známa fráza je známa: „Všetko je priehľadné okrem skla.“
Neoceniteľným spôsobom prispel aj k štúdiu svetla:
- Zákon popisujúci „uhol polarizácie“.
- Vynález kaleidoskopu.
Brewster pre mnohých opakoval Malusove pokusydrahých kameňov a iných materiálov, odhaľujúcich anomálie skla a objavili zákon - „Brewsterov kútik“. Podľa neho „... keď je lúč polarizovaný, odrazený lúč tvorí s lomom lúčom pravý uhol.“
Zákon o polarizácii Malusu
Pred rozprávaním o polarizácii musíte najskôrzapamätaj si svetlo. Svetlo je vlna, hoci niekedy je to častica. V každom prípade má však polarizácia zmysel, ak si predstavujeme svetlo ako vlnu, ako čiaru, keď sa pohybuje od lampy k očiam. Väčšina svetla je zmiešaný chaos svetelných vĺn, ktoré oscilujú vo všetkých smeroch. Tento smer kmitania sa nazýva polarizácia svetla. Polarizátor je zariadenie, ktoré čistí tento neporiadok. Prijíma všetko, čo mieša svetlo, a vysiela iba svetlo, ktoré osciluje jedným konkrétnym smerom.
Znenie zákona o Maluse znie:keď úplne ploché polarizované svetlo dopadne na analyzátor, intenzita svetla prepúšťaného analyzátorom je priamo úmerná druhej mocnine uhla cosine medzi osami prenosu analyzátora a polarizátora.
Priečna elektromagnetická vlna obsahuje obojeelektrické a magnetické polia a elektrické pole vo svetelnej vlne je kolmé na smer šírenia svetelnej vlny. Smerom vibrácie svetla je elektrický vektor E.
Pre konvenčný nepolarizovaný lúčelektrický vektor naďalej náhodne mení svoj smer, keď svetlo prechádza polaroidom, výsledné svetlo je rovina polarizovaná tak, že jeho elektrický vektor vibruje v konkrétnom smere. Smer vektora vychádzajúceho lúča závisí od orientácie polaroidu a rovina polarizácie je navrhnutá ako rovina obsahujúca E-vektor a svetelný lúč.
Obrázok nižšie zobrazuje ploché polarizované svetlo spôsobené vertikálnym EI a horizontálnym EII.
Nepolarizované svetlo prechádza cez Polaroid P1, a potom cez Polaroid P 2, zvierajúci uhol y s osami y. Po prechode svetla v smere x cez Polaroid P 1 bude elektrický vektor asociovaný s polarizovaným svetlom vibrovať iba pozdĺž osi y.
Ak to dovolíme polarizovanélúč opäť prechádza polarizovaným P 2 a vytvára s osou y uhol θ, potom ak E 0 je amplitúda dopadajúceho elektrického poľa na P 2, potom sa amplitúda vlny vychádzajúcej z P 2 bude rovnať E 0 cosθ, a teda intenzita vychádzajúceho lúča bude podľa Malusovho zákona (vzorca) I = I 0 cos 2 θ
kde I 0 je intenzita lúča vychádzajúceho z P 2, keď θ = 0 θ je uhol medzi prenosovými rovinami analyzátora a polarizátora.
Príklad na výpočet intenzity svetla
Malusov zákon: I 1 = I o cos 2 (q);
kde q je uhol medzi smerom polarizácie svetla a osou prenosu polarizátora.
Nepolarizované svetlo s intenzitou I o = 16W / m2 padá na pár polarizátorov. Prvý polarizátor má prenosovú os zarovnanú 50 stupňov od vertikály. Druhý polarizátor má prenosovú os zarovnanú vo vzdialenosti 20 ° od vertikály.
Test Malusovho zákona je možné vykonať výpočtom intenzity svetla, ktoré vychádza z prvého polarizátora:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
Svetlo nie je polarizované, takže I 1 = 1/2 I o = 8 W / m 2.
Intenzita svetla z druhého polarizátora:
I 2 = 4 W / m 2
I 2 = 8 cos 2 20 o
I 2 = 6 W / m 2
Potom nasleduje znenie zákona Malusčo potvrdzuje, že keď svetlo vychádza z prvého polarizátora, je lineárne polarizované pri 50o. Uhol medzi touto osou a osou prenosu druhého polarizátora je 30 °. Preto:
I 2 = I 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 W / m 2.
Teraz lineárna polarizácia svetelného lúča s intenzitou 16 W / m 2 padá na ten istý pár polarizátorov. Smer polarizácie dopadajúceho svetla je 20o od vertikály.
Intenzita svetla vychádzajúceho z prvého a vondruhé polarizátory. Pri prechode cez každý polarizátor intenzita klesá 3/4 krát. Po opustení prvého polarizátora je intenzita 16 * 3/4 = 12 W / m 2 a po prechode druhým klesne na 12 * 3/4 = 9 W / m 2.
Malusova polarizácia zákona hovorí, že na premenu svetla z jedného smeru polarizácie na druhý sa strata intenzity zníži použitím väčšieho počtu polarizátorov.
Predpokladajme, že chcete otočiť smer polarizácie 90o.
| N, počet polarizátorov | Uhol medzi po sebe nasledujúcimi polarizátormi | a 1 / Ja 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 |
| H | 90 / N | [cos 2 (90 o / N)] H |
Výpočet Brewsterovho uhla odrazu
Keď svetlo dopadne na povrch, časť svetlaodráža sa a časť preniká (láme sa). Relatívne množstvo tohto odrazu a lomu závisí od látok prechádzajúcich svetlom a tiež od uhla, pod ktorým svetlo dopadá na povrch. V závislosti od látok existuje optimálny uhol, ktorý umožňuje čo najväčšie lámanie (penetráciu) svetla. Tento optimálny uhol je známy ako uhol škótskeho fyzika Davida Brewstera.
Brewsterov uhol pre normálne polarizované biele svetlo sa vypočíta podľa vzorca:
theta = arktán (n1 / n2),
kde theta je Brewsterov uhol a n1 a n2 sú indexy lomu týchto dvoch médií.
Pre výpočet najlepšieho uhla pre maximumprienik svetla cez sklo - z tabuľky indexov lomu zistíme, že index lomu pre vzduch je 1,00 a index lomu pre sklo je 1,50.
Brewsterov uhol bude arktán (1,50 / 1,00) = arktán (1,50) = 56 stupňov (približne).
Výpočet najlepšieho uhla svetla pre maximálny prienik vody. Z tabuľky indexu lomu vyplýva, že index pre vzduch je 1,00 a index lomu pre vodu je 1,33.
Brewsterov uhol bude arktán (1,33 / 1,00) = arktán (1,33) = 53 stupňov (približne).
Aplikácia polarizovaného svetla
Bežný človek na ulici si to ani len nepredstavujeako intenzívne sa polarizátory používajú vo svete. Polarizácia svetla Malusovho zákona nás obklopuje všade. Napríklad populárne položky ako slnečné okuliare Polaroid a použitie špeciálnych polarizačných filtrov pre objektívy fotoaparátov. Rôzne vedecké prístroje používajú polarizované svetlo emitované lasermi alebo polarizačnými žiarovkami a zdrojmi žiarivky.
Na osvetlenie sa niekedy používajú polarizátorymiestnosti a scény na zníženie oslnenia a rovnomernejšie osvetlenie a ako okuliare na zabezpečenie viditeľného hĺbky 3D filmov. Prekrížené polarizátory sa dokonca používajú v skafandroch na výrazné zníženie množstva svetla zo slnka, ktoré vstupuje do očí astronauta počas spánku.
Tajomstvo optiky v prírode
Prečo je obloha modrá, červený západ slnka a bielamraky? Tieto otázky pozná každý z detstva. Malusove a Brewsterove zákony vysvetľujú tieto prírodné účinky. Naša obloha je vďaka slnku skutočne farebná. Jeho jasné biele svetlo má vo vnútri zabudované všetky farby dúhy: červenú, oranžovú, žltú, zelenú, modrú, indigovú a fialovú. Za určitých podmienok sa človek stretne s dúhou alebo západom slnka alebo sivou neskoro večer. Obloha je modrá vďaka „rozptylu“ slnečného žiarenia. Modrá má kratšiu vlnovú dĺžku a viac energie ako iné farby.
Vďaka tomu sa modrá selektívne vstrebávamolekuly vzduchu a potom sa opäť uvoľnili do všetkých strán. Ostatné farby sú menej rozptýlené, a preto ich zvyčajne nie je vidieť. Poludňajšie slnko je žlté a absorbuje svoju modrú farbu. Pri východe alebo západe slnka slnečné svetlo preniká pod malým uhlom a musí prechádzať cez veľkú hrúbku atmosféry. Výsledkom je, že modrá je starostlivo rozptýlená, takže väčšina z nej je úplne absorbovaná vzduchom, stratená a rozptýlená inými farbami, najmä oranžovou a červenou, čím sa vytvára slávny horizont farieb.
Za všetko môžu aj farby slnečného žiareniaodtiene, ktoré na Zemi milujeme, či už je to zelená tráva alebo tyrkysový oceán. Povrch každého objektu si vyberá konkrétne farby, ktoré bude odrážať, aby sa odlíšil. Mraky sú často lesklé biele, pretože sú skvelými reflektormi alebo difúzormi akejkoľvek farby. Všetky vrátené farby sa spočítajú do neutrálnej bielej. Niektoré materiály odrážajú všetky farby rovnomerne, napríklad mlieko, krieda a cukor.
Hodnota citlivosti polarizácie v astronómii
Dlhodobo študujem Malusov zákonný účinokpolarizácia v astronómii bola ignorovaná. Svetlo hviezd je takmer úplne nepolarizované a dá sa použiť štandardne. Prítomnosť polarizovaného svetla v astronómii nám môže povedať o tom, ako svetlo vzniklo. U niektorých supernov nie je emitované svetlo nepolarizované. V závislosti od uvažovanej časti hviezdy je možné vidieť inú polarizáciu.
Táto informácia o polarizácii svetla z rôznych oblastí hmloviny by mohla výskumníkom poskytnúť informácie o umiestnení zatienenej hviezdy.
V ostatných prípadoch prítomnosťou polarizovaného svetlamôžete odhaliť informácie o celej časti neviditeľnej galaxie. Ďalším využitím meraní citlivých na polarizáciu v astronómii je detekcia prítomnosti magnetických polí. Štúdiom kruhovej polarizácie veľmi špecifických farieb svetla vychádzajúcich zo slnečnej koróny vedci prišli na informácie o sile magnetického poľa v týchto miestach.
Optická mikroskopia
Mikroskop s polarizovaným svetlom je navrhnutý tak, abyna pozorovanie a fotografovanie vzoriek, ktoré sú viditeľné z dôvodu ich opticky anizotropnej povahy. Anizotropné materiály majú optické vlastnosti, ktoré sa menia so smerom šírenia svetla, ktoré nimi prechádza. Na splnenie tejto úlohy musí byť mikroskop vybavený polarizátorom umiestneným v dráhe svetla niekde pred vzorkou a analyzátorom (druhým polarizátorom) umiestneným v optickej dráhe medzi zadným otvorom objektívu a pozorovacími trubicami alebo portom kamery. .
Aplikácie polarizácie v biomedicíne
Tento trend, dnes populárny, je založený nana tom, že v našich telách existuje veľa zlúčenín, ktoré sú opticky aktívne, to znamená, že môžu otáčať polarizáciu svetla, ktoré nimi prechádza. Rôzne opticky aktívne zlúčeniny môžu otáčať polarizáciu svetla v rôznych množstvách a v rôznych smeroch.
Niektoré opticky aktívne chemikálieprítomné vo vyšších koncentráciách v počiatočných štádiách ochorenia oka. Lekári môžu tieto znalosti potenciálne využiť na diagnostiku očných chorôb v budúcnosti. Možno si predstaviť, že lekár svieti do oka pacienta zdrojom polarizovaného svetla a meria polarizáciu svetla odrazeného od sietnice. Používa sa ako neinvazívna metóda na testovanie očných chorôb.
Dar našej doby - LCD obrazovka
Ak sa pozriete pozorne na obrazovku LCD, môžeteVšimnite si, že obraz je veľká skupina farebných štvorcov usporiadaných do mriežky. V nich sa uplatnil Malusov zákon, ktorého fyzika procesu vytvorila podmienky, aby mal každý štvorec alebo pixel svoju vlastnú farbu. Táto farba je kombináciou červeného, zeleného a modrého svetla pri každej intenzite. Tieto základné farby môžu reprodukovať akúkoľvek farbu, ktorú vidí ľudské oko, pretože naše oči sú trichromatické.
Inými slovami, aproximujú konkrétne vlnové dĺžky svetla analýzou intenzity každého z troch farebných kanálov.
Displeje využívajú iba túto chybuzobrazenie troch vlnových dĺžok, ktoré selektívne zacieľujú na každý typ receptora. Fáza tekutých kryštálov existuje v základnom stave, v ktorom sú molekuly orientované vo vrstvách a každá nasledujúca vrstva sa mierne krúti a vytvára špirálovitý obrazec.
LCD so sedemsegmentovým displejom z tekutých kryštálov:
- Pozitívna elektróda.
- Záporná elektróda.
- Polarizátor 2.
- Displej.
- Polarizátor 1.
- Tekutý kryštál.
Tu je LCD medzi dvoma sklenenými doskami,ktoré sú vybavené elektródami. LC sú priehľadné chemické zlúčeniny s „skrútenými molekulami“, ktoré sa nazývajú tekuté kryštály. Fenomén optickej aktivity v niektorých chemikáliách je spôsobený ich schopnosťou otáčať rovinu polarizovaného svetla.
Stereopsis 3D filmy
Polarizácia umožňuje ľudský mozogfalošné 3D analýzou rozdielov medzi dvoma obrázkami. Ľudia nemôžu vidieť v troch dimenziách, naše oči vidia iba v dvojrozmerných obrazoch. Náš mozog však môže zistiť, ako ďaleko sú objekty, analýzou rozdielov v tom, čo vidí každé oko. Tento proces je známy ako Stereopsis.
Pretože náš mozog vidí iba pseudo 3D,filmári môžu pomocou tohto procesu vytvoriť ilúziu troch dimenzií bez toho, aby sa uchýlili k hologramom. Všetky 3D filmy fungujú tak, že poskytujú dve fotografie, jednu pre každé oko. Do 50. rokov sa polarizácia stala dominantnou metódou oddelenia obrazu. V divadlách začali pracovať dva projektory súčasne s lineárnym polarizátorom nad každou šošovkou.
Pre súčasnú generáciu 3D filmov, technológieprešiel na kruhovú polarizáciu, ktorá sa stará o problém s orientáciou. Túto technológiu v súčasnosti vyrába spoločnosť RealD a predstavuje 90% 3D trhu. RealD vydal kruhový filter, ktorý veľmi rýchlo prepína medzi polarizáciou v smere hodinových ručičiek a proti smeru hodinových ručičiek, takže sa namiesto dvoch použije iba jeden projektor.
