Trudno wskazać, kto jako pierwszy odkrył światło spolaryzowane. Starożytni ludzie mogli zauważyć osobliwe miejsce, patrząc na 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 używać polaryzacji nieba do nawigacji. Nawet jeśli nie, na pewno znaleźli Islandię i wspaniały kamień kalcytowy. Szpat islandzki (kalcyt) znany był już w swoich czasach, to właśnie mieszkańcom Islandii zawdzięcza swoje imię. Minerał był kiedyś używany w nawigacji ze względu na swoje wyjątkowe właściwości optyczne. Odegrał ważną rolę we współczesnym odkryciu polaryzacji i nadal jest materiałem z wyboru do oddzielania polaryzacyjnych składników światła.
W 1669 duński matematyk z Uniwersytetu Kopenhaskiego, Erazm Bartholinus, nie tylko zobaczył podwójne światło, ale także przeprowadził kilka eksperymentów, pisząc 60-stronicowy pamiętnik. To jestbył pierwszym naukowym opisem efektu polaryzacji, a autora można uznać za odkrywcę tej niesamowitej właściwości światła.
Christian Huygens opracował teorię fal pulsujących światła, którą opublikował w 1690 roku w swojej słynnej książce Traite de la Lumiere. W tym samym czasie Isaac Newton rozwinął korpuskularną teorię światła w swojej książce Opticks (1704). W końcu obaj mieli rację i nie mieli racji, ponieważ światło ma podwójną naturę (fala i cząstka). Jednak Huygens był bliższy współczesnemu rozumieniu tego procesu.
W 1801 r. Thomas Young przeprowadził słynny eksperyment z podwójną szczeliną. Udowodniono, że światło zachowuje się jak fale, a nakładanie się 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 natury fali światła.
Młody Etienne Louis Malus żył w burzliwej epoce - podczas Rewolucji Francuskiej i rządów terroru. Uczestniczył wraz z armią Napoleona w inwazji na Egipt, a także Palestynę i Syrię, gdzie zaraził się zarazą, która go zabiła kilka lat później. Udało mu się jednak wnieść ważny wkład w zrozumienie polaryzacji. Prawo Malusa, które przewidywało natężenie światła przechodzącego przez polaryzator, stało się jednym z najpopularniejszych w XXI wieku przy tworzeniu ekranów ciekłokrystalicznych.
Sir David Brewster, znany pisarz naukowy, studiował takie przedmioty fizyki optycznej, jak dichroizm i widmaabsorpcji, a także bardziej popularne tematy, takie jak fotografia stereo. Znane jest słynne zdanie Brewstera: „Wszystko jest przezroczyste z wyjątkiem szkła”.
Wniósł również nieoceniony wkład w badanie światła:
- Prawo opisujące "kąt polaryzacji".
- Wynalezienie kalejdoskopu.
Brewster powtórzył eksperymenty Malusa dla wielu klejnotów i innych materiałów, odkrywając anomalię w szkle i odkrył prawo - "kąt Brewstera". Według niego „… kiedy wiązka jest spolaryzowana, odbita wiązka tworzy kąt prosty z wiązką załamaną.”
Prawo polaryzacji Malusa
Zanim zaczniemy mówić o polaryzacji, musimy najpierw pamiętać o świetle. Światło jest falą, choć czasami jest cząsteczką. Ale w każdym razie polaryzacja ma sens, jeśli pomyślimy o świetle jako fali, jako linii, która wędruje od lampy do oczu. Większość światła to mieszany bałagan fal świetlnych, które wibrują we wszystkich kierunkach. Ten kierunek oscylacji nazywa się polaryzacją światła. Polaryzator to urządzenie, które sprząta ten bałagan. Przyjmuje wszystko, co miesza światło i przepuszcza tylko światło oscylujące w jednym określonym kierunku.
Sformułowanie prawa Malusa jest następujące: gdy na analizator pada całkowicie płasko spolaryzowane światło, intensywność światła przepuszczanego przez analizator jest wprost proporcjonalna do kwadratu cosinusa kąta między osiami transmisji analizatora i polaryzator.
Poprzeczna fala elektromagnetyczna zawiera zarówno pole elektryczne, jak i magnetyczne, a pole elektryczne w fali świetlnej jest prostopadłe do kierunku propagacji fali świetlnej. Kierunek drgań światła to wektor elektryczny E.
W przypadku zwykłej niespolaryzowanej wiązki wektor elektryczny losowo zmienia swój kierunek, gdy światło przechodzi przez polaroid, powstałe światło jest spolaryzowane płaszczyznowo, a jego wektor elektryczny wibruje w określonym kierunku. Kierunek wyłaniającego się wektora wiązki zależy od orientacji polaroidu, a płaszczyzna polaryzacji jest zaprojektowana jako płaszczyzna zawierająca wektor E i wiązkę światła.
Poniższy rysunek przedstawia płaskie spolaryzowane światło ze względu na pionowy wektor EI i poziomy wektor EII.
Światło niespolaryzowane przechodzi przez polaroid P 1, a następnie przez polaroid P 2, tworząc kąt θ z y ax-s. Po tym, jak światło rozchodzące się w kierunku x przejdzie przez polaroid P 1, wektor elektryczny powiązany ze światłem spolaryzowanym będzie wibrował tylko wzdłuż osi y.
Teraz, jeśli pozwolimy tej spolaryzowanej wiązce ponownie przejść przez spolaryzowane P 2, tworząc kąt θ z osią y, to jeśli E 0 jest amplitudą padającego pola elektrycznego na P 2, to amplituda fala wychodząca z P 2 będzie równa E 0 cosθ, a zatem natężenie wiązki wychodzącej będzie zgodne z prawem Malusa (wzór) I=I 0 cos 2 θ
gdzie I 0 jest intensywnością wiązki wychodzącej z P 2, gdy θ=0θ to kąt między płaszczyznami transmisyjnymi analizatora i polaryzatora.
Przykład obliczania natężenia światła
Prawo Malusa: I 1=I o cos 2 (q);
gdzie q jest kątem między kierunkiem polaryzacji światła a osią transmisji polaryzatora.
Światło niespolaryzowane o natężeniu Io=16 W/m 2 pada na parę polaryzatorów. Pierwszy polaryzator ma oś transmisji ustawioną w odległości 50° od pionu. Drugi polaryzator ma oś transmisji zorientowaną w odległości 20o od pionu.
Test Prawa Malusa można przeprowadzić, obliczając intensywność światła, gdy wychodzi z pierwszego polaryzatora:
4 W/m2
16 cos 2 50o
8 W/m2
12 W/m2
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 nim następuje prawo Malusa, którego sformułowanie potwierdza, że kiedy światło opuszcza pierwszy polaryzator, jest ono spolaryzowane liniowo na 50o. Kąt między tym a osią transmisji drugiego polaryzatora wynosi 30°. Dlatego:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Teraz liniowa polaryzacja wiązki światła o natężeniu 16 W/m 2 pada na tę samą parę polaryzatorów. Kierunek polaryzacji padającego światła wynosi 20o od pionu.
Natężenie światła wychodzącego z pierwszego i drugiego polaryzatora. Przechodząc przez każdy polaryzator, intensywność zmniejsza się 3/4-krotnie. Po wyjściu z pierwszego polaryzatoraintensywność wynosi 163/4 =12 W/m2 i spada do 123/4 =9 W/m2 po przejściu sekundy.
Prawo polaryzacji malezyjskiej mówi, że aby zmienić kierunek światła z jednego kierunku polaryzacji na inny, utrata intensywności jest redukowana przez użycie większej liczby polaryzatorów.
Załóżmy, że musisz obrócić kierunek polaryzacji o 90o.
| N, liczba polaryzatorów | Kąt pomiędzy kolejnymi polaryzatorami | I 1 / I 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 |
Obliczanie kąta odbicia Brewstera
Kiedy światło pada na powierzchnię, część światła jest odbijana, 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 jak największe załamanie światła (przenikanie). Ten optymalny kąt jest znany jako kąt szkockiego fizyka Davida Brewstera.
Oblicz kątBrewster dla zwykłego spolaryzowanego światła białego jest wytwarzany według wzoru:
theta=arctan (n1 / n2), gdzie theta to kąt Brewstera, a n1 i n2 to współczynniki załamania dwóch mediów.
Aby obliczyć najlepszy kąt dla maksymalnego przenikania światła przez szkło - z tabeli współczynników załamania światła dowiadujemy się, że współczynnik załamania światła dla powietrza wynosi 1,00, a współczynnik załamania światła dla szkła 1,50.
Kąt Brewstera to arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 stopni (w przybliżeniu).
Obliczanie najlepszego kąta padania światła dla maksymalnej penetracji wody. Z tabeli współczynników załamania światła wynika, że wskaźnik dla powietrza wynosi 1,00, a dla wody 1,33.
Kąt Brewstera to arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 stopnie (w przybliżeniu).
Zastosowanie światła spolaryzowanego
Prosty laik nie może sobie nawet wyobrazić, jak intensywnie polaryzatory są używane na świecie. Polaryzacja światła prawa Malusa otacza nas wszędzie. Na przykład tak popularne rzeczy, jak okulary przeciwsłoneczne Polaroid, a także zastosowanie specjalnych filtrów polaryzacyjnych do obiektywów aparatów. Różne instrumenty naukowe wykorzystują spolaryzowane światło emitowane przez lasery lub przez polaryzujące lampy żarowe i źródła fluorescencyjne.
Polaryzatory są czasami używane w oświetleniu pomieszczeń i scen, aby zredukować odblaski i zapewnić bardziej równomierne oświetlenie oraz jako okulary nadające widoczne wrażenie głębi filmom 3D. Nawet skrzyżowane polaryzatorystosowany w skafandrach kosmicznych, aby drastycznie zmniejszyć ilość światła wpadającego do oczu astronauty podczas snu.
Sekrety optyki w przyrodzie
Dlaczego błękitne niebo, czerwony zachód słońca i białe chmury? Te pytania są znane wszystkim od dzieciństwa. Prawa Malusa i Brewstera wyjaśniają te naturalne efekty. Dzięki słońcu nasze niebo jest naprawdę kolorowe. Jej jasne, białe światło zawiera wszystkie kolory tęczy: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. Pod pewnymi warunkami człowiek spotyka tęczę, zachód słońca lub szary późny wieczór. Niebo jest niebieskie z powodu „rozpraszania” światła słonecznego. Kolor niebieski ma krótszą długość fali i większą energię niż inne kolory.
W rezultacie kolor niebieski jest selektywnie pochłaniany przez cząsteczki powietrza, a następnie ponownie uwalniany we wszystkich kierunkach. Inne kolory są mniej rozproszone i dlatego zwykle nie są widoczne. Południowe słońce jest żółte po wchłonięciu niebieskiego koloru. O wschodzie lub zachodzie słońca światło słoneczne wpada pod małym kątem i musi przechodzić przez dużą grubość atmosfery. W rezultacie kolor niebieski jest dokładnie rozpraszany, tak że większość z niego jest całkowicie pochłaniana przez powietrze, tracąc i rozpraszając inne kolory, zwłaszcza pomarańcze i czerwienie, tworząc wspaniały horyzont kolorów.
Kolory światła słonecznego są również odpowiedzialne za wszystkie odcienie, które kochamy na Ziemi, niezależnie od tego, czy jest to zieleń trawy, czy turkusowy ocean. Powierzchnia każdego obiektu wybiera określone kolory, które będą odzwierciedlać, aby:wyróżnij się. Chmury są często olśniewająco białe, ponieważ są doskonałymi odbłyśnikami lub rozpraszaczami dowolnego koloru. Wszystkie zwracane kolory są dodawane do neutralnej bieli. Niektóre materiały, takie jak mleko, kreda i cukier, równomiernie odbijają wszystkie kolory.
Znaczenie czułości polaryzacji w astronomii
Przez długi czas, badanie prawa Malusa, ignorowało wpływ polaryzacji w astronomii. Starlight jest prawie całkowicie niespolaryzowany i może być używany jako standard. Obecność światła spolaryzowanego w astronomii może nam powiedzieć, jak powstało światło. W niektórych supernowych emitowane światło nie jest niespolaryzowane. W zależności od oglądanej części gwiazdy można zobaczyć inną polaryzację.
Ta informacja o polaryzacji światła z różnych obszarów mgławicy może dać naukowcom wskazówki co do lokalizacji zacienionej gwiazdy.
W innych przypadkach obecność spolaryzowanego światła może ujawnić informacje o całej części niewidzialnej galaktyki. Innym zastosowaniem pomiarów polaryzacyjnych w astronomii jest wykrywanie obecności pól magnetycznych. Badając kołową polaryzację bardzo specyficznych kolorów światła emanującego z korony słonecznej, naukowcy odkryli informacje o sile pola magnetycznego w tych miejscach.
Mikroskopia optyczna
Mikroskop światła spolaryzowanego jest przeznaczony do obserwacji i fotografowania próbek widocznych przezich 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 w ścieżce światła gdzieś przed próbką, jak i analizator (drugi polaryzator) umieszczony w ścieżce optycznej pomiędzy tylną przysłoną obiektywu a tubusami lub portem kamery.
Zastosowanie polaryzacji w biomedycynie
Ten popularny obecnie trend opiera się na fakcie, że w naszych ciałach znajduje się wiele związków, które są optycznie aktywne, to znaczy mogą zmieniać polaryzację przechodzącego przez nie światła. Różne optycznie aktywne związki mogą skręcać polaryzację światła w różnych ilościach i w różnych kierunkach.
Niektóre optycznie czynne substancje chemiczne są obecne 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 spolaryzowane źródło światła do oka pacjenta i mierzy polaryzację światła odbitego od siatkówki. Stosowany jako nieinwazyjna metoda badania chorób oczu.
Dar nowoczesności - ekran LCD
Jeśli przyjrzysz się uważnie ekranowi LCD, zauważysz, że obraz jest dużą liczbą kolorowych kwadratów ułożonych w siatkę. W nich znaleźli zastosowanie prawa Malusa,fizyka procesu, który stworzył warunki, w których każdy kwadrat lub piksel ma swój własny kolor. Ten kolor to połączenie światła czerwonego, zielonego i niebieskiego w każdej intensywności. Te kolory podstawowe mogą odwzorowywać dowolny kolor widziany przez ludzkie oko, ponieważ nasze oczy są trójchromatyczne.
Innymi słowy, przybliżają określone długości fal światła, analizując intensywność każdego z trzech kanałów kolorów.
Wyświetlacze wykorzystują tę wadę, wyświetlając tylko trzy długości fal, które selektywnie celują w każdy typ receptora. Faza ciekłokrystaliczna istnieje w stanie podstawowym, w którym cząsteczki są zorientowane warstwami, a każda kolejna warstwa lekko skręca się, tworząc spiralny wzór.
7-segmentowy wyświetlacz LCD:
- Elektroda dodatnia.
- Elektroda ujemna.
- Polaryzator 2.
- Wyświetlacz.
- Polaryzator 1.
- Ciekłokrystaliczny.
Tutaj wyświetlacz LCD znajduje się pomiędzy dwiema szklanymi płytami, które są wyposażone w elektrody. Wyświetlacze LCD z przezroczystych związków chemicznych z „skręconymi cząsteczkami” zwanymi ciekłymi kryształami. Zjawisko aktywności optycznej niektórych substancji chemicznych wynika z ich zdolności do obracania płaszczyzny światła spolaryzowanego.
Filmy stereofoniczne 3D
Polaryzacja umożliwia ludzkiemu mózgowi fałszowanie 3D poprzez analizę różnic między dwoma obrazami. Ludzie nie widzą w 3D, nasze oczy widzą tylko w 2D. Obrazy. Jednak nasze mózgi mogą zrozumieć, jak daleko znajdują się obiekty, analizując różnice w tym, co widzi każde oko. Ten proces jest znany jako Stereopsis.
Ponieważ nasze mózgi widzą tylko pseudo-3D, filmowcy mogą wykorzystać ten proces do stworzenia iluzji trzech wymiarów bez uciekania się do hologramów. Wszystkie filmy 3D działają na zasadzie dostarczania dwóch zdjęć, po jednym dla każdego oka. W latach pięćdziesiątych polaryzacja stała się dominującą metodą separacji obrazów. W kinach zaczęły działać dwa projektory działające jednocześnie, z liniowym polaryzatorem nad każdym obiektywem.
W przypadku obecnej generacji filmów 3D technologia przeszła na polaryzację kołową, która rozwiązuje problem orientacji. Technologia ta jest obecnie produkowana przez RealD i stanowi 90% rynku 3D. RealD wypuścił 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.
