Sunku išskirti, kas pirmasis atrado poliarizuotą šviesą. Senovės žmonės, žiūrėdami į dangų tam tikromis kryptimis, pastebėdavo savitą vietą. Poliarizacija turi daug keistenybių, pasireiškia įvairiose gyvenimo srityse, o šiandien ji yra masinio tyrimo ir taikymo objektas, visko priežastis yra Maluso dėsnis.
Poliarizuotos šviesos atradimas
Vikingai naršydami galėjo naudoti dangaus poliarizaciją. Net jei ne, jie tikrai rado Islandiją ir nuostabų kalcito akmenį. Islandijos šparatas (kalcitas) buvo žinomas dar jų laikais, būtent Islandijos gyventojams jis skolingas savo vardą. Mineralas kadaise buvo naudojamas navigacijoje dėl savo unikalių optinių savybių. Ji suvaidino svarbų vaidmenį šiuolaikiniame poliarizacijos atradime ir tebėra pasirinkta medžiaga atskiriant šviesos poliarizacijos komponentus.
1669 m. danų matematikas iš Kopenhagos universiteto Erasmusas Bartholinusas ne tik pamatė dvigubą šviesą, bet ir atliko keletą eksperimentų, parašydamas 60 puslapių atsiminimų knygą. Tai yrabuvo pirmasis mokslinis poliarizacijos efekto aprašymas, o autorius gali būti laikomas šios nuostabios šviesos savybės atradėju.
Christianas Huygensas sukūrė šviesos impulsinių bangų teoriją, kurią paskelbė 1690 m. savo garsiojoje knygoje „Traite de la Lumiere“. Tuo pat metu Isaacas Newtonas savo knygoje „Optika“(1704) išplėtojo korpuskulinę šviesos teoriją. Galų gale abu buvo teisūs ir neteisingi, nes šviesa turi dvejopą prigimtį (banga ir dalelė). Tačiau Huygensas buvo artimesnis šiuolaikiniam proceso supratimui.
1801 m. Thomas Youngas atliko garsųjį dvigubo plyšio trukdžių eksperimentą. Įrodyta, kad šviesa elgiasi kaip bangos, o bangų superpozicija gali sukelti tamsą (destruktyvūs trukdžiai). Jis panaudojo savo teoriją, kad paaiškintų tokius dalykus kaip Niutono žiedai ir antgamtiniai vaivorykštės lankai. Mokslo proveržis įvyko po kelerių metų, kai Jungas įrodė, kad poliarizacija atsiranda dėl šviesos skersinės bangos pobūdžio.
Jaunasis Etjenas Luisas Malusas gyveno neramioje eroje – Prancūzijos revoliucijos ir teroro valdymo metu. Su Napoleono kariuomene jis dalyvavo invazijoje į Egiptą, taip pat į Palestiną ir Siriją, kur užsikrėtė maru, kuris po kelerių metų jį nužudė. Tačiau jis sugebėjo labai prisidėti prie poliarizacijos supratimo. Maluso dėsnis, numatęs per poliarizatorių perduodamos šviesos intensyvumą, tapo vienu populiariausių XXI amžiuje kuriant skystųjų kristalų ekranus.
Sonas Davidas Brewsteris, žinomas mokslo rašytojas, studijavo optinės fizikos dalykus, tokius kaip dichroizmas ir spektraisugertį, taip pat populiaresnius objektus, tokius kaip stereo fotografija. Žinoma garsioji Brewsterio frazė: „Viskas skaidru, išskyrus stiklą“.
Jis taip pat įnešė neįkainojamą indėlį į šviesos tyrimą:
- Įstatymas, apibūdinantis „poliarizacijos kampą“.
- Kaleidoskopo išradimas.
Brewsteris pakartojo Maluso eksperimentus su daugeliu brangakmenių ir kitų medžiagų, atradęs stiklo anomaliją ir atrado dėsnį – „Brewsterio kampą“. Pasak jo, „…kai spindulys yra poliarizuotas, atspindėtas spindulys sudaro stačią kampą su lūžusiu pluoštu“.
Malus poliarizacijos įstatymas
Prieš kalbėdami apie poliarizaciją, pirmiausia turime prisiminti apie šviesą. Šviesa yra banga, nors kartais tai yra dalelė. Bet bet kuriuo atveju poliarizacija yra prasminga, jei apie šviesą galvojame kaip apie bangą, kaip liniją, kai ji keliauja nuo lempos į akis. Dauguma šviesos yra mišri šviesos bangų, kurios vibruoja visomis kryptimis, netvarka. Ši svyravimo kryptis vadinama šviesos poliarizacija. Poliarizatorius yra prietaisas, kuris išvalo šią netvarką. Jis priima viską, kas maišo šviesą, ir praleidžia tik šviesą, kuri svyruoja viena konkrečia kryptimi.
Maluso dėsnio formuluotė yra tokia: kai ant analizatoriaus krenta visiškai plokščia poliarizuota šviesa, analizatoriaus perduodamos šviesos intensyvumas yra tiesiogiai proporcingas kampo tarp analizatoriaus perdavimo ašių ir kosinuso kvadratui. poliarizatorius.
Skersinėje elektromagnetinėje bangoje yra ir elektrinis, ir magnetinis laukas, o šviesos bangos elektrinis laukas yra statmenas šviesos bangos sklidimo krypčiai. Šviesos virpesių kryptis yra elektrinis vektorius E.
Paprastam nepoliarizuotam pluoštui elektrinis vektorius atsitiktinai keičia savo kryptį, kai šviesa teka per poliaroidą. Gauta šviesa yra plokštumoje poliarizuota, jos elektrinis vektorius vibruoja tam tikra kryptimi. Atsirandančio pluošto vektoriaus kryptis priklauso nuo poliaroido orientacijos, o poliarizacijos plokštuma suprojektuota kaip plokštuma, kurioje yra E vektorius ir šviesos spindulys.
Toliau pateiktame paveikslėlyje pavaizduota plokščia poliarizuota šviesa dėl vertikalaus vektoriaus EI ir horizontalaus vektoriaus EII.
Nepoliarizuota šviesa praeina per polaroidą P 1, o paskui per polaroidą P 2, sudarydama kampą θ su y ašimis. Kai šviesa, sklindanti x kryptimi, praeis per polaroidą P 1, su poliarizuota šviesa susietas elektrinis vektorius vibruos tik išilgai y ašies.
Dabar, jei leisime šiam poliarizuotam pluoštui vėl praeiti pro poliarizuotą P 2, sudarydami kampą θ su y ašimi, tada, jei E 0 yra krintančio elektrinio lauko amplitudė P 2, tada amplitudė banga, išeinanti iš P 2, bus lygi E 0 cosθ, todėl kylančio pluošto intensyvumas bus pagal Maluso dėsnį (formulę) I=I 0 cos 2 θ
kur I 0 yra pluošto, išeinančio iš P 2, intensyvumas, kai θ=0θ yra kampas tarp analizatoriaus ir poliarizatoriaus perdavimo plokštumų.
Šviesos intensyvumo skaičiavimo pavyzdys
Maluso dėsnis: I 1=I o cos 2 (q);
kur q yra kampas tarp šviesos poliarizacijos krypties ir poliarizatoriaus perdavimo ašies.
Nepoliarizuota šviesa, kurios intensyvumas I o=16 W/m 2, patenka ant poliarizatorių poros. Pirmasis poliarizatorius turi perdavimo ašį, išlygiuotą 50° atstumu nuo vertikalės. Antrojo poliarizatoriaus perdavimo ašis išlygiuota 20o atstumu nuo vertikalės.
Malaus dėsnio patikrinimą galima atlikti apskaičiuojant, kokia intensyvi šviesa išeina iš pirmojo poliarizatoriaus:
4 W/m 2
16 kainuoja 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Šviesa nėra poliarizuota, todėl I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Šviesos intensyvumas iš antrojo poliarizatoriaus:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Pagal Malus dėsnį, kurio formuluotė patvirtina, kad kai šviesa palieka pirmąjį poliarizatorių, ji tiesiškai poliarizuojasi 50o kampu. Kampas tarp šio ir antrojo poliarizatoriaus perdavimo ašies yra 30°. Todėl:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Dabar tiesinė 16 W/m 2 intensyvumo šviesos pluošto poliarizacija patenka ant tos pačios poliarizatorių poros. Krintančios šviesos poliarizacijos kryptis yra 20o nuo vertikalės.
Šviesos, sklindančios iš pirmojo ir antrojo poliarizatorių, intensyvumas. Praeinant per kiekvieną poliarizatorių, intensyvumas sumažėja 3/4. Išėjus iš pirmojo poliarizatoriausintensyvumas yra 163/4 =12 W/m2 ir sumažėja iki 123/4 =9 W/m2 praėjus sekundei.
Malūzijos įstatymo poliarizacija sako, kad norint pasukti šviesą iš vienos poliarizacijos krypties į kitą, intensyvumo praradimas sumažinamas naudojant daugiau poliarizatorių.
Tarkime, jums reikia pasukti poliarizacijos kryptį 90 o.
| N, poliarizatorių skaičius | Kampas tarp nuoseklių poliarizatorių | I 1 / aš 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 |
Brewsterio atspindžio kampo apskaičiavimas
Kai šviesa patenka į paviršių, dalis šviesos atsispindi, o dalis prasiskverbia (lūžta). Santykinis šio atspindžio ir lūžio dydis priklauso nuo per šviesą praeinančių medžiagų, taip pat nuo kampo, kuriuo šviesa patenka į paviršių. Priklausomai nuo medžiagų yra optimalus kampas, leidžiantis šviesai kuo labiau lūžti (prasiskverbti). Šis optimalus kampas žinomas kaip škotų fiziko Davido Brewsterio kampas.
Apskaičiuokite kampąBrewster įprastai poliarizuotai b altai šviesai gaminamas pagal formulę:
theta=arctan (n1 / n2), kur teta yra Brewsterio kampas, o n1 ir n2 yra dviejų terpių lūžio rodikliai.
Norėdami apskaičiuoti geriausią kampą maksimaliam šviesos prasiskverbimui per stiklą – iš lūžio rodiklių lentelės matome, kad oro lūžio rodiklis yra 1,00, o stiklo lūžio rodiklis yra 1,50.
Brewsterio kampas būtų Arktanas (1,50 / 1,00)=Arktanas (1,50)=56 laipsniai (apytiksliai).
Geriausio šviesos kampo apskaičiavimas maksimaliam vandens įsiskverbimui. Iš lūžio rodiklių lentelės matyti, kad oro lūžio rodiklis yra 1,00, o vandens lūžio rodiklis yra 1,33.
Brewsterio kampas būtų Arktanas (1,33 / 1,00)=Arktanas (1,33)=53 laipsniai (apytiksliai).
Poliarizuotos šviesos naudojimas
Paprastas pasaulietis net neįsivaizduoja, kaip intensyviai pasaulyje naudojami poliarizatoriai. Malo dėsnio šviesos poliarizacija supa mus visur. Pavyzdžiui, tokie populiarūs dalykai kaip Polaroid akiniai nuo saulės, taip pat specialių poliarizuojančių filtrų naudojimas fotoaparatų objektyvams. Įvairūs moksliniai instrumentai naudoja poliarizuotą šviesą, kurią skleidžia lazeriai arba poliarizuojančios kaitrinės lempos ir fluorescenciniai š altiniai.
Poliarizatoriai kartais naudojami patalpų ir scenų apšvietimui, siekiant sumažinti akinimą ir užtikrinti tolygesnį apšvietimą, ir kaip stiklai, kad 3D filmams būtų suteiktas matomas gylio pojūtis. Netgi sukryžiuoti poliarizatoriainaudojami kosminiuose kostiumuose, siekiant drastiškai sumažinti šviesos, patenkančios į astronauto akis miegant, kiekį.
Optikos paslaptys gamtoje
Kodėl mėlynas dangus, raudonas saulėlydis ir b alti debesys? Šie klausimai yra žinomi visiems nuo vaikystės. Maluso ir Brewsterio įstatymai paaiškina šiuos gamtos padarinius. Mūsų dangus yra tikrai spalvingas, dėka saulės. Jo ryškiai b altoje šviesoje yra visos vaivorykštės spalvos: raudona, oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo ir violetinė. Tam tikromis sąlygomis žmogus pasitinka arba vaivorykštę, arba saulėlydį, arba pilką vėlyvą vakarą. Dangus mėlynas dėl saulės šviesos „sklaidymo“. Mėlyna spalva turi trumpesnį bangos ilgį ir daugiau energijos nei kitos spalvos.
Todėl mėlyną spalvą selektyviai sugeria oro molekulės, o paskui vėl išleidžia į visas puses. Kitos spalvos yra mažiau išsibarsčiusios, todėl dažniausiai nesimato. Vidudienio saulė yra geltona, kai sugeria mėlyną spalvą. Saulėtekio ar saulėlydžio metu saulės šviesa patenka mažu kampu ir turi praeiti per didelį atmosferos storį. Dėl to mėlyna spalva yra kruopščiai išsklaidyta, todėl didžioji jos dalis visiškai sugeriama ore, prarandama ir išsklaido kitas spalvas, ypač oranžines ir raudonas, sukuriant nuostabų spalvų horizontą.
Saulės šviesos spalvos taip pat lemia visus atspalvius, kuriuos mylime Žemėje, nesvarbu, ar tai būtų žalia žolė, ar turkio spalvos vandenynas. Kiekvieno objekto paviršius pasirenka konkrečias spalvas, kurias jis atspindėsišskirti save. Debesys dažnai būna ryškiai b alti, nes yra puikūs bet kokios spalvos atšvaitai arba difuzoriai. Visos grąžintos spalvos pridedamos prie neutralios b altos spalvos. Kai kurios medžiagos tolygiai atspindi visas spalvas, pvz., pienas, kreida ir cukrus.
Poliarizacijos jautrumo svarba astronomijoje
Ilgą laiką Maluso dėsnio, poliarizacijos poveikio astronomijoje, tyrimas buvo ignoruojamas. Starlight yra beveik visiškai nepoliarizuotas ir gali būti naudojamas kaip standartas. Poliarizuotos šviesos buvimas astronomijoje gali mums pasakyti, kaip buvo sukurta šviesa. Kai kuriose supernovose skleidžiama šviesa nėra nepoliarizuota. Priklausomai nuo žiūrimos žvaigždės dalies, galima matyti skirtingą poliarizaciją.
Ši informacija apie šviesos iš skirtingų ūko regionų poliarizaciją gali duoti mokslininkams užuominų apie šešėlinės žvaigždės vietą.
Kitais atvejais poliarizuotos šviesos buvimas gali atskleisti informaciją apie visą nematomos galaktikos dalį. Kitas poliarizacijai jautrių matavimų panaudojimas astronomijoje yra magnetinių laukų aptikimas. Tyrinėdami labai specifinių šviesos spalvų, sklindančios iš saulės vainiko, žiedinę poliarizaciją, mokslininkai atskleidė informacijos apie magnetinio lauko stiprumą šiose vietose.
Optinė mikroskopija
Poliarizuotos šviesos mikroskopas skirtas stebėti ir fotografuoti pro matomus mėginiusjų optiškai anizotropinis pobūdis. Anizotropinės medžiagos turi optinių savybių, kurios kinta pro jas sklindančios šviesos sklidimo krypčiai. Norint atlikti šią užduotį, mikroskopas turi būti aprūpintas ir poliarizatoriumi, esančiu šviesos kelyje kažkur prieš mėginį, ir analizatoriumi (antru poliarizatoriumi), esančiu optiniame kelyje tarp objektyvo galinės apertūros ir žiūrėjimo vamzdelių arba kameros prievado..
Poliarizacijos taikymas biomedicinoje
Ši populiari tendencija šiandien pagrįsta tuo, kad mūsų kūnuose yra daug junginių, kurie yra optiškai aktyvūs, tai yra, jie gali pasukti per juos sklindančios šviesos poliarizaciją. Įvairūs optiškai aktyvūs junginiai gali pasukti šviesos poliarizaciją skirtingais kiekiais ir skirtingomis kryptimis.
Kai kurių optiškai aktyvių cheminių medžiagų yra didesnės koncentracijos ankstyvosiose akių ligos stadijose. Gydytojai gali panaudoti šias žinias diagnozuodami akių ligas. Galima įsivaizduoti, kad gydytojas į paciento akį įšviečia poliarizuotos šviesos š altinį ir matuoja nuo tinklainės atsispindinčios šviesos poliarizaciją. Naudojamas kaip neinvazinis akių ligų tyrimo metodas.
Modernumo dovana – LCD ekranas
Jei atidžiai pažvelgsite į LCD ekraną, pastebėsite, kad vaizdas yra didelis tinklelyje išdėstytų spalvotų kvadratų rinkinys. Juose jie rado taikymą Maluso įstatymui,fizika proceso, kuris sukūrė sąlygas, kai kiekvienas kvadratas ar pikselis turi savo spalvą. Ši spalva yra kiekvieno intensyvumo raudonos, žalios ir mėlynos šviesos derinys. Šios pagrindinės spalvos gali atkurti bet kokią spalvą, kurią mato žmogaus akis, nes mūsų akys yra trispalvės.
Kitaip tariant, jie apytiksliai nustato tam tikrus šviesos bangos ilgius, analizuodami kiekvieno iš trijų spalvų kanalų intensyvumą.
Ekranai išnaudoja šį trūkumą rodydami tik tris bangos ilgius, kurie selektyviai nukreipia kiekvieną receptorių tipą. Skystųjų kristalų fazė egzistuoja pradinėje būsenoje, kurioje molekulės yra orientuotos į sluoksnius, o kiekvienas paskesnis sluoksnis šiek tiek pasisuka, sudarydamas spiralinį raštą.
7 segmentų LCD ekranas:
- Teigiamas elektrodas.
- Neigiamas elektrodas.
- Polarizer 2.
- Ekranas.
- Polarizer 1.
- Skystieji kristalai.
Štai LCD yra tarp dviejų stiklinių plokščių, kuriose yra elektrodai. Skaidrių cheminių junginių skystųjų kristalų ekranai su „susisuktomis molekulėmis“, vadinamais skystaisiais kristalais. Kai kurių cheminių medžiagų optinio aktyvumo reiškinys atsiranda dėl jų gebėjimo pasukti poliarizuotos šviesos plokštumą.
Stereopsis 3D filmai
Poliarizacija leidžia žmogaus smegenims padirbti 3D analizuojant dviejų vaizdų skirtumus. Žmonės nemato 3D, mūsų akys mato tik 2D. Vaizdai. Tačiau mūsų smegenys gali suprasti, kaip toli yra objektai, analizuodami skirtumus tarp to, ką kiekviena akis mato. Šis procesas žinomas kaip Stereopsis.
Kadangi mūsų smegenys gali matyti tik pseudo-3D, filmų kūrėjai gali panaudoti šį procesą kurdami trijų matmenų iliuziją nesinaudodami hologramomis. Visi 3D filmai veikia pateikiant dvi nuotraukas, po vieną kiekvienai akiai. Iki šeštojo dešimtmečio poliarizacija tapo dominuojančiu vaizdo atskyrimo metodu. Kino teatruose vienu metu pradėjo veikti du projektoriai su tiesiniu poliarizatoriumi ant kiekvieno objektyvo.
Dabartinės kartos 3D filmuose technologija perjungta į žiedinę poliarizaciją, kuri išsprendžia orientacijos problemą. Šią technologiją šiuo metu gamina „RealD“ir ji sudaro 90 % 3D rinkos. „RealD“išleido apskritą filtrą, kuris labai greitai persijungia iš pagal laikrodžio rodyklę į prieš laikrodžio rodyklę ir atvirkščiai, todėl naudojamas tik vienas projektorius, o ne du.
