Det er vanskelig å trekke frem hvem som var den første som oppdaget polarisert lys. Gamle mennesker kunne legge merke til et merkelig sted ved å se på himmelen i visse retninger. Polarisering har mange særheter, manifesterer seg på ulike områder av livet, og i dag er den gjenstand for masseforskning og anvendelse, grunnen til alt er Malus lov.
Oppdagelse av polarisert lys
Vikings kan ha brukt himmelpolarisering for å navigere. Selv om de ikke gjorde det, fant de definitivt Island og den fantastiske kalsittsteinen. Islandsk spar (kalsitt) var kjent selv i sin tid; den skylder navnet sitt til innbyggerne på Island. Mineralet ble en gang brukt i navigasjon på grunn av dets unike optiske egenskaper. Det spilte en viktig rolle i den moderne oppdagelsen av polarisering og fortsetter å være det valgte materialet for å separere lysets polarisasjonskomponenter.
I 1669 så den danske matematikeren fra Københavns Universitet, Erasmus Bartholinus, ikke bare et dobbeltlys, men utførte også noen eksperimenter og skrev et 60-siders memoar. Dette ervar den første vitenskapelige beskrivelsen av polarisasjonseffekten, og forfatteren kan betraktes som oppdageren av denne fantastiske egenskapen til lys.
Christian Huygens utviklet pulsbølgeteorien om lys, som han publiserte i 1690 i sin berømte bok Traite de la Lumiere. Samtidig fremmet Isaac Newton den korpuskulære teorien om lys i sin bok Opticks (1704). Til slutt var begge rett og g alt, siden lys har en dobbel natur (bølge og partikkel). Likevel var Huygens nærmere den moderne forståelsen av prosessen.
I 1801 laget Thomas Young det berømte interferenseksperimentet med doble sp alter. Han beviste at lys oppfører seg som bølger, og superposisjon av bølger kan føre til mørke (destruktiv interferens). Han brukte teorien sin til å forklare ting som Newtons ringer og overnaturlige regnbuebuer. Et gjennombrudd innen vitenskapen kom noen år senere da Jung viste at polarisering skyldes lysets tverrbølgenatur.
Unge Etienne Louis Malus levde i en turbulent tid – under den franske revolusjonen og terrorens styre. Han deltok med Napoleons hær i invasjonen av Egypt, samt Palestina og Syria, hvor han pådro seg pesten som tok livet av ham noen år senere. Men han klarte å gi et viktig bidrag til forståelsen av polarisering. Malus' lov, som spådde intensiteten til lys som ble sendt gjennom en polarisator, har blitt en av de mest populære i det 21. århundre når man lager flytende krystallskjermer.
Sir David Brewster, anerkjent vitenskapsforfatter, studerte optiske fysikkfag som dikroisme og spektreabsorpsjon, samt mer populære motiver som stereofotografering. Brewsters berømte setning er kjent: "Alt er gjennomsiktig bortsett fra glass".
Han ga også et uvurderlig bidrag til studiet av lys:
- Loven som beskriver "polarisasjonsvinkelen".
- Oppfinnelsen av kaleidoskopet.
Brewster gjentok Malus sine eksperimenter for mange edelstener og andre materialer, og oppdaget en anomali i glass, og oppdaget loven - "Brewsters vinkel". Ifølge ham, "…når strålen er polarisert, danner den reflekterte strålen en rett vinkel med den brutte strålen."
Malus Polarization Law
Før vi snakker om polarisering, må vi først huske på lys. Lys er en bølge, selv om det noen ganger er en partikkel. Men i alle fall gir polarisering mening hvis vi tenker på lys som en bølge, som en linje, når det beveger seg fra lampen til øynene. Mest lys er et blandet rot av lysbølger som vibrerer i alle retninger. Denne oscillasjonsretningen kalles lysets polarisering. Polarisatoren er enheten som rydder opp i dette rotet. Den aksepterer alt som blander lys og slipper bare gjennom lys som svinger i én bestemt retning.
Formuleringen av Malus' lov er: når et helt flatt polarisert lys faller på analysatoren, er intensiteten til lyset som sendes ut av analysatoren direkte proporsjonal med kvadratet av cosinus til vinkelen mellom analysatorens transmisjonsakser og polarisatoren.
En tverrgående elektromagnetisk bølge inneholder både et elektrisk og et magnetisk felt, og det elektriske feltet i en lysbølge er vinkelrett på lysbølgens utbredelsesretning. Retningen til lysvibrasjonen er den elektriske vektoren E.
For en vanlig upolarisert stråle, fortsetter den elektriske vektoren å endre retningen tilfeldig når lys passerer gjennom en polaroid, det resulterende lyset er planpolarisert med dens elektriske vektor som vibrerer i en bestemt retning. Retningen til den fremkommende strålevektoren avhenger av polaroidens orientering, og polarisasjonsplanet er utformet som et plan som inneholder E-vektoren og lysstrålen.
Figuren nedenfor viser flatt polarisert lys på grunn av den vertikale vektoren EI og den horisontale vektoren EII.
Upolarisert lys passerer gjennom en polaroid P 1 og deretter gjennom en polaroid P 2, og danner en vinkel θ med y ax-s. Etter at lys som forplanter seg langs x-retningen passerer gjennom Polaroid P 1, vil den elektriske vektoren assosiert med det polariserte lyset bare vibrere langs y-aksen.
Nå hvis vi lar denne polariserte strålen passere gjennom den polariserte P 2 igjen, og danner en vinkel θ med y-aksen, så hvis E 0 er amplituden til det innfallende elektriske feltet på P 2, så vil amplituden til bølgen som kommer ut av P 2, vil være lik E 0 cosθ og derfor vil intensiteten til den fremkommende strålen være i henhold til Malus-loven (formel) I=I 0 cos 2 θ
hvor I 0 er intensiteten til strålen som kommer ut fra P 2 når θ=0θ er vinkelen mellom transmisjonsplanene til analysatoren og polarisatoren.
Beregningseksempel for lysintensitet
Malus' lov: I 1=I o cos 2 (q);
hvor q er vinkelen mellom lyspolarisasjonsretningen og polarisatortransmisjonsaksen.
Upolarisert lys med intensitet I o=16 W/m 2 faller på et par polarisatorer. Den første polarisatoren har en transmisjonsakse innrettet i en avstand på 50° fra vertikalen. Den andre polarisatoren har overføringsaksen justert i en avstand på 20o fra vertikalen.
En test av Malus' lov kan gjøres ved å beregne hvor intenst lyset er når det kommer ut av den første polarisatoren:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Lyset er ikke polarisert, så I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Lysintensiteten fra den andre polarisatoren:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Følgt av Malus-loven, hvis formulering bekrefter at når lys forlater den første polarisatoren, er det lineært polarisert ved 50o. Vinkelen mellom denne og transmisjonsaksen til den andre polarisatoren er 30°. Derfor:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Nå faller den lineære polarisasjonen til en lysstråle med en intensitet på 16 W/m 2 på det samme polarisatorparet. Polarisasjonsretningen til det innfallende lyset er 20o fra vertikalen.
Lysintensiteten som kommer ut av den første og andre polarisatoren. Ved å passere gjennom hver polarisator reduseres intensiteten med en faktor på 3/4. Etter å ha forlatt den første polarisatorenintensiteten er 163/4 =12 W/m2 og avtar til 123/4 =9 W/m2 etter å ha passert den andre.
Malusisk lovpolarisering sier at for å snu lys fra en polarisasjonsretning til en annen, reduseres intensitetstapet ved å bruke flere polarisatorer.
Anta at du må rotere polarisasjonsretningen med 90o.
| N, antall polarisatorer | Vinkel mellom påfølgende polarisatorer | 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 |
Beregning av Brewster-refleksjonsvinkelen
Når lys treffer en overflate, reflekteres noe av lyset og noe av det trenger gjennom (brytes). Den relative mengden av denne refleksjonen og brytningen avhenger av stoffene som passerer gjennom lyset, samt vinkelen som lyset treffer overflaten med. Det er en optimal vinkel, avhengig av stoffene, som gjør at lyset kan brytes (penetrere) så mye som mulig. Denne optimale vinkelen er kjent som den skotske fysikeren David Brewsters vinkel.
Regn ut vinkelenBrewster for vanlig polarisert hvitt lys produseres med formelen:
theta=arctan (n1 / n2), der theta er Brewster-vinkelen, og n1 og n2 er brytningsindeksene til de to mediene.
For å beregne den beste vinkelen for maksimal lysgjennomtrengning gjennom glass - fra brytningsindekstabellen finner vi at brytningsindeksen for luft er 1,00 og brytningsindeksen for glass er 1,50.
Brewster-vinkelen vil være arktan (1,50 / 1,00)=arktan (1,50)=56 grader (omtrent).
Beregner den beste lysvinkelen for maksimal vanninntrengning. Fra tabellen over brytningsindekser følger det at indeksen for luft er 1,00, og brytningsindeksen for vann er 1,33.
Brewster-vinkelen vil være arktan (1,33 / 1,00)=arktan (1,33)=53 grader (omtrent).
Bruk av polarisert lys
En enkel lekmann kan ikke engang forestille seg hvor intensivt polarisatorer brukes i verden. Polariseringen av lyset til Malus lov omgir oss over alt. For eksempel slike populære ting som Polaroid-solbriller, samt bruk av spesielle polariserende filtre for kameralinser. Ulike vitenskapelige instrumenter bruker polarisert lys som sendes ut av lasere eller av polariserende glødelamper og fluorescerende kilder.
Polarisatorer brukes noen ganger i rom- og scenebelysning for å redusere gjenskinn og gi jevnere belysning og som briller for å gi en synlig følelse av dybde til 3D-filmer. Kryssede polarisatorer til og medbrukes i romdrakter for å drastisk redusere mengden lys som kommer inn i øynene til en astronaut mens han sover.
Optikks hemmeligheter i naturen
Hvorfor blå himmel, rød solnedgang og hvite skyer? Disse spørsmålene er kjent for alle siden barndommen. Lovene til Malus og Brewster gir forklaringer på disse naturlige effektene. Himmelen vår er virkelig fargerik, takket være solen. Det skarpe hvite lyset har alle regnbuens farger innebygd: rødt, oransje, gult, grønt, blått, indigo og fiolett. Under visse forhold møter en person enten en regnbue, eller en solnedgang, eller en grå sen kveld. Himmelen er blå på grunn av "spredning" av sollys. Fargen blå har kortere bølgelengde og mer energi enn andre farger.
Som et resultat blir blått selektivt absorbert av luftmolekyler, og deretter frigjort igjen i alle retninger. Andre farger er mindre spredt og derfor vanligvis ikke synlige. Middagssolen er gul etter å ha absorbert den blå fargen. Ved soloppgang eller solnedgang kommer sollys inn i lav vinkel og må passere gjennom en stor tykkelse av atmosfæren. Som et resultat blir den blå fargen grundig spredt, slik at det meste blir fullstendig absorbert av luften, tapt og sprer andre farger, spesielt oransje og røde, og skaper en strålende fargehorisont.
Fargene i sollys er også ansvarlige for alle fargene vi elsker på jorden, enten det er gressgrønt eller det turkise havet. Overflaten til hvert objekt velger de spesifikke fargene den vil reflektere for å gjøre detskille deg ut. Skyer er ofte strålende hvite fordi de er utmerkede reflektorer eller diffusorer i alle farger. Alle returnerte farger legges sammen til nøytralhvitt. Noen materialer reflekterer alle farger jevnt, for eksempel melk, kritt og sukker.
Betydningen av polarisasjonsfølsomhet i astronomi
I lang tid ble studiet av Malus lov, effekten av polarisering i astronomi ignorert. Starlight er nesten helt upolarisert og kan brukes som standard. Tilstedeværelsen av polarisert lys i astronomi kan fortelle oss hvordan lys ble skapt. I noen supernovaer er ikke lyset som sendes ut upolarisert. Avhengig av hvilken del av stjernen som vises, kan en annen polarisering sees.
Denne informasjonen om polarisasjonen av lys fra forskjellige områder av tåken kan gi forskere ledetråder til plasseringen av den skyggefulle stjernen.
I andre tilfeller kan tilstedeværelsen av polarisert lys avsløre informasjon om hele delen av den usynlige galaksen. En annen bruk av polarisasjonsfølsomme målinger i astronomi er å oppdage tilstedeværelsen av magnetiske felt. Ved å studere den sirkulære polarisasjonen av svært spesifikke lysfarger som kommer fra solkoronaen, har forskere avdekket informasjon om styrken til magnetfeltet på disse stedene.
Optisk mikroskopi
Det polariserte lysmikroskopet er designet for å observere og fotografere prøver som er synlige gjennomderes optisk anisotrope natur. Anisotropiske materialer har optiske egenskaper som endres med forplantningsretningen til lys som passerer gjennom dem. For å utføre denne oppgaven må mikroskopet være utstyrt med både en polarisator plassert i lysbanen et sted foran prøven og en analysator (andre polarisator) plassert i den optiske banen mellom objektivets bakre blenderåpning og visningsrørene eller kameraporten.
Anvendelse av polarisering i biomedisin
Denne trenden, som er populær i dag, er basert på det faktum at i kroppen vår er det mange forbindelser som er optisk aktive, det vil si at de kan rotere polarisasjonen av lyset som passerer gjennom dem. Ulike optisk aktive forbindelser kan rotere polarisasjonen av lys i forskjellige mengder og i forskjellige retninger.
Noen optisk aktive kjemikalier er tilstede i høyere konsentrasjoner i de tidlige stadiene av øyesykdom. Leger kan potensielt bruke denne kunnskapen til å diagnostisere øyesykdommer i fremtiden. Man kan tenke seg at legen skinner en polarisert lyskilde inn i pasientens øye og måler polariseringen av lyset som reflekteres fra netthinnen. Brukes som en ikke-invasiv metode for å teste øyesykdom.
Modernitetens gave – LCD-skjerm
Hvis du ser nøye på LCD-skjermen, vil du legge merke til at bildet er et stort utvalg av fargede firkanter arrangert i et rutenett. I dem fant de anvendelse av Malus lov,fysikken i prosessen som skapte forholdene når hver firkant eller piksel har sin egen farge. Denne fargen er en kombinasjon av rødt, grønt og blått lys i hver intensitet. Disse primærfargene kan gjengi alle farger som det menneskelige øyet kan se fordi øynene våre er trikromatiske.
Med andre ord, de tilnærmer spesifikke bølgelengder av lys ved å analysere intensiteten til hver av de tre fargekanalene.
Displays utnytter denne mangelen ved kun å vise tre bølgelengder som selektivt retter seg mot hver type reseptor. Den flytende krystallfasen eksisterer i grunntilstanden, der molekylene er orientert i lag, og hvert påfølgende lag vrir seg litt for å danne et spiralformet mønster.
7-segment LCD-skjerm:
- Positiv elektrode.
- Negativ elektrode.
- Polarizer 2.
- Display.
- Polarizer 1.
- Flytende krystall.
Her er LCD-skjermen mellom to glassplater, som er utstyrt med elektroder. LCD-skjermer av gjennomsiktige kjemiske forbindelser med "vridde molekyler" k alt flytende krystaller. Fenomenet med optisk aktivitet i enkelte kjemikalier skyldes deres evne til å rotere planet med polarisert lys.
Stereopsis 3D-filmer
Polarisering lar den menneskelige hjernen forfalske 3D ved å analysere forskjellene mellom to bilder. Mennesker kan ikke se i 3D, øynene våre kan bare se i 2D. Bilder. Imidlertid kan hjernen vår gi mening om hvor langt unna objekter er ved å analysere forskjellene i hva hvert øye ser. Denne prosessen er kjent som Stereopsis.
Fordi hjernen vår bare kan se pseudo-3D, kan filmskapere bruke denne prosessen til å skape en illusjon av tre dimensjoner uten å ty til hologrammer. Alle 3D-filmer fungerer ved å levere to bilder, ett for hvert øye. På 1950-tallet hadde polarisering blitt den dominerende metoden for bildeseparasjon. Teatre begynte å ha to projektorer i gang samtidig, med en lineær polarisator over hver linse.
For den nåværende generasjonen av 3D-filmer har teknologien gått over til sirkulær polarisering, som tar hånd om orienteringsproblemet. Denne teknologien er for tiden produsert av RealD og står for 90 % av 3D-markedet. RealD har gitt ut et sirkulært filter som veksler mellom polarisering med klokken og mot klokken veldig raskt, så det brukes kun én projektor i stedet for to.
