Важко виділити, хто першим відкрив поляризованийсвітло. Стародавні люди могли помітити своєрідне пляма, дивлячись на небо в певних напрямках. Поляризація має безліч примх, проявляє себе в різних сферах життя, і сьогодні вона є предметом масового дослідження і застосування, причина всьому - закон Малюса.
Відкриття поляризованого світла
Вікінги, можливо, могли використовувати поляризаціюнеба для навігації. Навіть якщо вони цього не зробили, то вони точно виявили Ісландію і чудовий камінь кальцит. Ісландський шпат (кальцит) був відомий ще в їх часи, саме жителям Ісландії він зобов'язаний своєю назвою. Мінерал колись застосовувався в навігації за рахунок своїх унікальних оптичних властивостей. Він зіграв головну роль в сучасному відкритті поляризації і продовжує залишатися кращим матеріалом для поділу поляризаційних складових світла.
У 1669 році датський математик з Копенгагенськогоуніверситету Еразм Бартолінус не тільки побачив подвійний світло, але і провів деякі експерименти, написавши 60-сторінкові мемуари. Це було перше наукове опис поляризационного ефекту, а автор може вважатися першовідкривачем цього дивного властивості світла.
Християн Гюйгенс розробив імпульсно-хвильовутеорію світла, яку він опублікував у 1690 році у своїй знаменитій книзі Traite de la Lumiere. У той же час Ісаак Ньютон висунув корпускулярну теорію світла в своїй книзі Opticks (1704). У підсумку обидва мали рацію і неправі, оскільки світло має двоїсту природу (хвиля і частка). Все ж Гюйгенс був ближче до сучасного вигляду розуміння процесу.
У 1801 році Томас Юнг зробив знаменитийексперимент по інтерференції з двома щілинами. Довів, що світло поводиться як хвилі, а накладення хвиль може привести до темряви (руйнівна інтерференція). Він використовував свою теорію для пояснення таких речей, як кільця Ньютона і надприродні дуги веселки. Прорив у науці стався кілька років тому, коли Юнг показав, що поляризація виникає через поперечної хвильової природи світла.
Молодий Етьєн Луїс Малюс жив в бурхливу епоху - учас французької революції і царювання терору. Він брав участь з армією Наполеона при вторгненні до Єгипту, а також в Палестину і Сирію, де заразився чумою, яка вбила його кілька років тому. Але він встиг зробити важливий внесок в розуміння поляризації. Закон Малюса, який передбачив інтенсивність світла, що передається через поляризатор, став одним із затребуваних в XXI столітті при створенні рідкокристалічних екранів.
Сер Девід Брюстер, відомий науковий письменник,вивчав предмети оптичної фізики, такі як дихроизм і спектри поглинання, а також більш популярні предмети, такі як стереофонічна фотографія. Відома знаменита фраза Брюстера: "Все прозоро, крім скла".
Він також вніс неоціненний вклад у вивчення світла:
- Закон, що описує «поляризаційний кут».
- Винахід калейдоскопа.
Брюстер повторив експерименти Малюса для багатьохдорогоцінного каміння та інших матеріалів, виявивши аномалію скла, і відкрив закон - «кут Брюстера». За його словами, «... коли промінь поляризується, відбитий промінь утворює прямий кут з заломленим променем».
Поляризаційний Закон Малюса
Перш ніж говорити про поляризацію, потрібно спочаткузгадати про світло. Світло - це хвиля, хоча іноді це частинка. Але в будь-якому випадку, поляризація має сенс, якщо ми представляємо світло як хвилю, як лінію, коли вона рухається від лампи до очей. Більшість світла, являє собою змішаний безлад світлових хвиль, які коливаються у всіх напрямках. Цей напрямок коливань називається поляризацією світла. Поляризатор - це пристрій, який очищає цей безлад. Він приймає все, що змішує світло, і пропускає лише світло, який коливається в одному конкретному напрямку.
Формулювання Закону Малюса звучить таким чином:коли на аналізатор падає повністю плоский поляризоване світло, інтенсивність світла, переданого аналізатором, прямо пропорційна квадрату косинуса кута між осями передачі аналізатора і поляризатором.
Поперечна електромагнітна хвиля містить якелектричне, так і магнітне поле, а електричне поле в світловій хвилі перпендикулярно напрямку поширення світлової хвилі. Напрямок світловий вібрації - це електричний вектор E.
Для звичайного неполяризованого пучкаелектричний вектор продовжує змінювати свій напрям випадковим чином, коли світло пропускається через поляроїд, що виникає світло плоско поляризований з його електричним вектором, вібруючим в певному напрямку. Напрямок вектора виникає пучка залежить від орієнтації поляроїда, а площину поляризації спроектована як площину, яка містить E-вектор і світловий промінь.
На малюнку нижче показаний плоский поляризоване світло через вертикального вектора EI і горизонтального вектора EII.
Неполяризоване світло проходить через Polaroid P1, а потім через Polaroid P 2, утворюючи кут θ з y ax-s. Після того як світло, що поширюється вздовж напрямку х, проходить через Polaroid P 1, електричний вектор, пов'язаний з поляризованим світлом, буде вібрувати тільки уздовж осі y.
Тепер, якщо ми дозволимо цьому поляризованомупучку знову проходити через поляризований P 2, утворюючи кут θ з віссю y, тоді, якщо E 0 - амплітуда падаючого електричного поля на P 2, тоді амплітуда хвилі, що виходить з P 2, буде дорівнює E 0 cosθ і, отже, інтенсивність з'являється пучка буде згідно із законом Малюса (формула) I = I 0 cos 2 θ
де I 0 - інтенсивність пучка, що виходить з P 2, коли θ = 0 θ - кут між площинами передачі аналізатора і поляризатором.
Приклад розрахунку інтенсивності світла
Закон Малюса: I 1 = I o cos 2 (q);
де q - кут між напрямком поляризації світла і віссю передачі поляризатора.
Неполяризоване світло з інтенсивністю I o = 16Вт / м 2 падає на пару поляризаторів. Перший поляризатор має вісь передачі, вирівняну на відстані 50o від вертикалі. Другий поляризатор має вісь передачі, вирівняну на відстані 20o від вертикалі.
Перевірку Закону Малюса можна зробити, вираховуючи, яка інтенсивність світла, коли він виникає з першого поляризатора:
4 Вт / м 2
16 cos 2 50o
8 Вт / м 2
12 Вт / м 2
Світло не поляризоване, тому I 1 = 1/2 I o = 8 Вт / м 2.
Інтенсивність світла з другого поляризатора:
I 2 = 4 Вт / м 2
I 2 = 8 cos 2 20 o
I 2 = 6 Вт / м 2
Далі слід за Законом Малюса, формулюванняякого підтверджує, що коли світло виходить з першого поляризатора, він лінійно поляризується при 50o. Кут між цим і віссю передачі другого поляризатора складає 30o. отже:
I 2 = I 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 Вт / м 2.
Тепер лінійна поляризація пучка світла з інтенсивністю 16 Вт / м 2 падає на одну і ту ж пару поляризаторів. Напрямок поляризації падаючого світла становить 20o від вертикалі.
Інтенсивність світла, що виходить з першого і здругого поляризаторів. Проходячи через кожен поляризатор, інтенсивність зменшується в 3/4 рази. Після виходу з першого поляризатора інтенсивність складає 16 * 3/4 = 12 Вт / м 2 і знижується до 12 * 3/4 = 9 Вт / м 2после проходження другого.
Поляризація закону Малюса говорить від тому, що для повороту світла з одного напрямку поляризації на інше зменшується втрата інтенсивності, використовуючи більше поляризаторів.
Припустимо, потрібно повернути напрямок поляризації на 90про.
| N, кількість поляризаторів | Кут між послідовними поляризаторами | І 1 / I про |
| 1 | 90 про | 0 |
| 2 | 45 про | 1/2 x 1/2 = 1/4 |
| 3 | 30 про | 3/4 x 3/4 x 3/4 = 27/64 |
| N | 90 / N | [cos 2 (90 про / N)] N |
Розрахунок кута відображення Брюстера
Коли світло вражає поверхню, частина світлавідбивається, а частина проникає (заломлюється). Відносна кількість цього відображення і рефракції залежать від речовин, що проходять через світло, а також від кута, під яким світло потрапляє на поверхню. Існує оптимальний кут, в залежності від речовин, який дозволяє світлу максимально переломлюватися (проникати). Цей оптимальний кут відомий як кут шотландського фізика Девіда Брюстера.
Розрахунок кута Брюстера для звичайного поляризованого білого світла здійснюється за формулою:
theta = arctan (n1 / n2),
де theta - кут Брюстера, а n1 і n2 - показники заломлення двох середовищ.
Для обчислення кращого кута для максимальногопроникнення світла через скло - з таблиці показників заломлення знаходимо, що показник заломлення для повітря дорівнює 1,00, а показник заломлення для скла - 1,50.
Кут Брюстера буде arctan (1.50 / 1.00) = arctan (1.50) = 56 градусів (приблизно).
Обчислення кращого кута для світла для максимального проникнення в воду. З таблиці показників заломлення слід, що показник для повітря дорівнює 1,00, а показник заломлення для води - 1,33.
Кут Брюстера буде arctan (1.33 / 1.00) = arctan (1.33) = 53 градуси (приблизно).
Застосування поляризованого світла
Простий обиватель навіть не уявляє собі,наскільки інтенсивно використовуються в світі поляризатори. Поляризація світла закону Малюса оточує нас всюди. Наприклад, такі популярні речі, як сонцезахисні окуляри Polaroid, а також використання спеціальних поляризаційних фільтрів для об'єктивів камери. Різні наукові інструменти використовують поляризоване світло, що випромінюється лазерами або шляхом поляризації ламп розжарювання і флуоресцентних джерел.
Поляризатори іноді використовуються для освітленняприміщень і сцени, щоб зменшити відблиски і забезпечити більш рівномірну освітленість і в якості очок, щоб надати видиме відчуття глибини тривимірним фільмів. Схрещені поляризатори навіть використовуються в космічних костюмах, щоб різко зменшити освітленість від сонця, що потрапляє в очі космонавта під час сну.
Секрети оптики в природі
Чому блакитний небосхил, червоний захід і біліхмари? Ці питання всім відомі з дитинства. Закони Малюса і Брюстера дають роз'яснення цим природним ефектів. Наше небо дійсно барвисто, завдяки сонцю. Його яскравий білий світ має всі кольори веселки, вбудовані всередині: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, синій, індиго і фіолетовий. У певних умови людина зустрічається або з веселкою, або із заходом, або з сірим пізно ввечері. Небо блакитне через «розсіювання» сонячного світла. Колір синій має коротшу довжину хвилі і велику енергію, ніж інші кольори.
В результаті синій вибірково поглинаєтьсямолекулами повітря, а потім виділяється знову в усіх напрямках. Інші кольори менш розкидані і, отже, як правило, не видно. Сонце полудня має жовтий колір, поглинувши свій синій колір. При сході чи заході сонячне світло проникає під низьким кутом і повинен проходити через велику товщину атмосфери. В результаті синій колір ретельно розсіюється, так що більша частина його повністю поглинається повітрям, втрачається і розсіює інші кольори, особливо помаранчевими і червоними, створюючи славний горизонт квітів.
Кольори сонячного світла також відповідають за всевідтінки, які нам подобаються на Землі, будь то зелена трава або бірюзовий океан. Поверхня кожного об'єкта вибирає конкретні кольору, які він буде відображати, щоб розрізняти себе. Хмари часто є блискучими білими, тому що вони відмінні відбивачі або розсіювачі будь-якого кольору. Всі повернуті кольору разом додаються до нейтрального білого кольору. Деякі матеріали відображають всі кольори рівномірно, наприклад, такі як молоко, крейда і цукор.
Значення поляризационной чутливості в астрономії
Довгий час вивчення закону Малюса ефектполяризації в астрономії ігнорувався. Світло зірок майже повністю не поляризоване, і його можна використовувати в якості стандарту. Наявність поляризованого світла в астрономії може розповісти нам про те, як був створений світ. У деяких наднових зірок випромінюється світло не є неполяризованим. Залежно від тієї частини зірки, яку споглядають, можна побачити іншу поляризацію.
Ця інформація про поляризацію світла з різних областей туманності може дати дослідникам підказку про місцезнаходження затіненій зірки.
В інших випадках за наявності поляризованого світламожна виявити інформацію про всю частини невидимою галактики. Ще одне використання поляризаційно-чутливих вимірювань в астрономії полягає у виявленні наявності магнітних полів. Вивчаючи кругову поляризацію дуже специфічних квітів світла, що виходять з корони сонця, вчені з'ясували інформацію про силу магнітного поля в цих місцях.
оптична мікроскопія
Мікроскоп з поляризованим світлом призначенийдля спостереження і фотографування зразків, які видно завдяки їх оптично анізотропних характеру. Анізотропні матеріали мають оптичні властивості, які змінюються з напрямком поширення проходить через них світла. Щоб виконати це завдання, мікроскоп повинен бути оснащений як поляризатором, розташованим на шляху світла десь перед зразком, так і аналізатором (другим поляризатором), поміщеним в оптичний шлях між об'єктивним заднім отвором і оглядовими трубками або портом камери.
Застосування поляризації в біомедицині
Це популярне сьогодні напрямок ґрунтуєтьсяна те, що в наших тілах є багато сполук, які є оптично активними, тобто вони можуть обертати поляризацію проходить через них світла. Різні оптично активні сполуки можуть обертати поляризацію світла в різних кількостях і в різних напрямках.
Деякі оптично активні хімічні речовиниприсутні в більш високих концентраціях на ранніх стадіях захворювання очей. Лікарі можуть потенційно використовувати ці знання для діагностики захворювань очей в майбутньому. Можна уявити, що лікар сяє поляризованим джерелом світла в око пацієнта і вимірює поляризацію світла, відбитого від сітківки. Застосовується як неінвазивний метод тестування захворювання очей.
Подарунок сучасності - ЖК-екран
Якщо уважно подивитися на ЖК-екран, можнапомітити, що зображення являє собою великий масив кольорових квадратів, розташованих у сітці. У них них знайшов застосування закон Малюса, фізика процесу якого створила умови, коли кожен квадрат або піксель має власний колір. Цей колір є комбінацією червоного, зеленого і синього світла в кожній інтенсивності. Ці основні кольори можуть відтворювати будь-який колір, який може бачити людське око, бо наші очі тріхроматічни.
Іншими словами, вони апроксимують конкретні довжини хвиль світла, аналізуючи інтенсивність кожного з трьох колірних каналів.
Дисплеї використовують цей недолік, тількивідображаючи три довжини хвилі, які вибірково націлені на кожен тип рецептора. Жидкокристаллическая фаза існує в основному стані, в якому молекули орієнтовані в шарах, і кожен наступний шар злегка скручується з утворенням спірального малюнка.
ЖК-дисплей з семи сегментним рідкокристалічним дисплеєм:
- Позитивний електрод.
- Негативний електрод.
- Поляризатор 2.
- Дисплей.
- Поляризатор 1.
- Рідкий кристал.
Тут ЖК - між двома скляними пластинами,які забезпечені електродами. ЖК прозорих хімічних сполук з «скрученими молекулами», званих рідкими кристалами. Явище оптичної активності в деяких хімічних речовинах обумовлено їх здатністю обертати площину поляризованого світла.
Stereopsis 3D-фільми
Поляризація дозволяє людському мозкупідробляти 3D, аналізуючи відмінності між двома зображеннями. Люди не бачать в трьох вимірах, наші очі можуть бачити тільки двовимірні зображення. Проте наш мозок може зрозуміти, як далеко знаходяться об'єкти, аналізуючи відмінності в тому, що бачить кожне око. Цей процес відомий як Stereopsis.
Оскільки наш мозок може бачити тільки псевдо-3D,виробники фільмів можуть використовувати цей процес, щоб створити ілюзію трьох вимірів, не вдаючись до голограмам. Всі 3D-фільми працюють, поставляючи дві фотографії, по одній для кожного ока. До 1950-х років поляризація стала домінуючим методом поділу зображень. Театри стали мати два проектора, що працюють одночасно, з лінійним поляризатором над кожним об'єктивом.
Для поточного покоління 3D-фільмів технологіяпереключилася на кругову поляризацію, яка піклується про проблему орієнтації. Ця технологія в даний час проводиться RealD і становить 90% 3D-ринку. RealD випустив кругової фільтр, який дуже швидко перемикається між поляризацією за годинниковою стрілкою і проти годинникової стрілки, тому використовується тільки один проектор замість двох.
