Este greu de identificat cine a fost primul care a descoperit lumina polarizată. Oamenii antici puteau observa un loc ciudat privind cerul în anumite direcții. Polarizarea are multe ciudatenii, se manifestă în diferite domenii ale vieții, iar astăzi este subiectul cercetării și aplicării în masă, motivul pentru care totul este legea lui Malus.
Descoperirea luminii polarizate
Vikingii ar fi folosit polarizarea cerului pentru a naviga. Chiar dacă nu, au găsit cu siguranță Islanda și minunata piatră de calcit. Spatarul islandez (calcit) era cunoscut chiar și pe vremea lor, locuitorilor Islandei le datorează numele. Mineralul a fost folosit cândva în navigație datorită proprietăților sale optice unice. A jucat un rol major în descoperirea modernă a polarizării și continuă să fie materialul de alegere pentru separarea componentelor de polarizare ale luminii.
În 1669, matematicianul danez de la Universitatea din Copenhaga, Erasmus Bartholinus, nu numai că a văzut o lumină dublă, dar a și efectuat câteva experimente, scriind un memoriu de 60 de pagini. Aceasta estea fost prima descriere științifică a efectului de polarizare, iar autorul poate fi considerat descoperitorul acestei proprietăți uimitoare a luminii.
Christian Huygens a dezvoltat teoria undelor pulsate a luminii, pe care a publicat-o în 1690 în celebra sa carte Traite de la Lumiere. În același timp, Isaac Newton a avansat teoria corpusculară a luminii în cartea sa Opticks (1704). În cele din urmă, ambele au avut dreptate și greșite, deoarece lumina are o natură duală (undă și particule). Cu toate acestea, Huygens era mai aproape de înțelegerea modernă a procesului.
În 1801, Thomas Young a făcut faimosul experiment de interferență cu dublu fante. S-a dovedit că lumina se comportă ca undele, iar suprapunerea undelor poate duce la întuneric (interferență distructivă). Și-a folosit teoria pentru a explica lucruri precum inelele lui Newton și arcurile supranaturale ale curcubeului. O descoperire în știință a venit câțiva ani mai târziu, când Jung a arătat că polarizarea se datorează naturii undelor transversale a luminii.
Tânărul Etienne Louis Malus a trăit într-o epocă tulbure - în timpul Revoluției Franceze și a domniei terorii. A participat alături de armata lui Napoleon la invazia Egiptului, precum și a Palestinei și a Siriei, unde a contractat ciuma care l-a ucis câțiva ani mai târziu. Dar el a reușit să aducă o contribuție importantă la înțelegerea polarizării. Legea lui Malus, care a prezis intensitatea luminii transmise printr-un polarizator, a devenit una dintre cele mai populare în secolul 21 atunci când se creează ecrane cu cristale lichide.
Sir David Brewster, renumit scriitor științific, a studiat subiecte de fizică optică precum dicroismul și spectreleabsorbție, precum și subiecte mai populare, cum ar fi fotografia stereo. Celebra frază a lui Brewster este cunoscută: „Totul este transparent, cu excepția sticlei”.
El a adus, de asemenea, o contribuție neprețuită la studiul luminii:
- Legea care descrie „unghiul de polarizare”.
- Invenția caleidoscopului.
Brewster a repetat experimentele lui Malus pentru multe pietre prețioase și alte materiale, descoperind o anomalie în sticlă și a descoperit legea - „unghiul lui Brewster”. Potrivit acestuia, „… când fasciculul este polarizat, fasciculul reflectat formează un unghi drept cu fasciculul refractat.”
Legea polarizării Malus
Înainte de a vorbi despre polarizare, trebuie să ne amintim mai întâi despre lumină. Lumina este o undă, deși uneori este o particule. Dar, în orice caz, polarizarea are sens dacă ne gândim la lumină ca la o undă, ca la o linie, pe măsură ce se deplasează de la lampă la ochi. Cea mai mare parte a luminii este un amestec amestecat de unde luminoase care vibrează în toate direcțiile. Această direcție de oscilație se numește polarizarea luminii. Polarizatorul este dispozitivul care curăță această mizerie. Acceptă orice amestecă lumină și lasă să treacă doar lumina care oscilează într-o anumită direcție.
Formularea Legii lui Malus este: atunci când o lumină polarizată complet plată cade pe analizor, intensitatea luminii transmise de analizor este direct proporțională cu pătratul cosinusului unghiului dintre axele de transmisie ale analizorului și polarizatorul.
O undă electromagnetică transversală conține atât un câmp electric, cât și un câmp magnetic, iar câmpul electric dintr-o undă luminoasă este perpendicular pe direcția de propagare a undei luminoase. Direcția vibrației luminii este vectorul electric E.
Pentru un fascicul obișnuit nepolarizat, vectorul electric își schimbă direcția în mod aleatoriu atunci când lumina este trecută printr-un polaroid, lumina rezultată este polarizată în plan, cu vectorul său electric vibrând într-o anumită direcție. Direcția vectorului fasciculului emergent depinde de orientarea polaroidului, iar planul de polarizare este proiectat ca un plan care conține vectorul E și fasciculul de lumină.
Figura de mai jos arată lumina polarizată plată datorită vectorului vertical EI și vectorului orizontal EII.
Lumina nepolarizată trece printr-un Polaroid P 1 și apoi printr-un Polaroid P 2, formând un unghi θ cu y ax-s. După ce lumina care se propagă de-a lungul direcției x trece prin Polaroid P 1, vectorul electric asociat cu lumina polarizată va vibra doar de-a lungul axei y.
Acum, dacă permitem acestui fascicul polarizat să treacă din nou prin P 2 polarizat, făcând un unghi θ cu axa y, atunci dacă E 0 este amplitudinea câmpului electric incident pe P 2, atunci amplitudinea lui unda care iese din P 2, va fi egală cu E 0 cosθ și, prin urmare, intensitatea fasciculului emergent va fi conform Legii Malus (formula) I=I 0 cos 2 θ
unde I 0 este intensitatea fasciculului care iese din P 2 când θ=0θ este unghiul dintre planurile de transmisie ale analizorului și polarizator.
Exemplu de calcul al intensității luminii
Legea lui Malus: I 1=I o cos 2 (q);
unde q este unghiul dintre direcția de polarizare a luminii și axa de transmisie a polarizatorului.
Lumina nepolarizată cu intensitatea I o=16 W/m 2 cade pe o pereche de polarizatoare. Primul polarizator are o axă de transmisie aliniată la o distanță de 50° de verticală. Al doilea polarizator are axa de transmisie aliniată la o distanță de 20o față de verticală.
O testare a Legii lui Malus se poate face calculând cât de intensă este lumina când iese din primul polarizator:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Lumina nu este polarizată, deci I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intensitatea luminii de la al doilea polarizator:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Urmată de Legea Malus, a cărei formulare confirmă că atunci când lumina părăsește primul polarizator, aceasta este polarizată liniar la 50o. Unghiul dintre acesta și axa de transmisie a celui de-al doilea polarizator este de 30°. Prin urmare:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Acum polarizarea liniară a unui fascicul de lumină cu o intensitate de 16 W/m 2 cade pe aceeași pereche de polarizatoare. Direcția de polarizare a luminii incidente este de 20o față de verticală.
Intensitatea luminii care iese din primul și al doilea polarizator. Trecând prin fiecare polarizator, intensitatea scade cu un factor de 3/4. După părăsirea primului polarizatorintensitatea este de 163/4 =12 W/m2 și scade la 123/4 =9 W/m2 după trecerea secundei.
Polarizarea legii malusiene spune că, pentru a transforma lumina dintr-o direcție de polarizare în alta, pierderea de intensitate este redusă prin utilizarea mai multor polarizatoare.
Să presupunem că trebuie să rotiți direcția de polarizare cu 90o.
| N, număr de polarizatoare | Unghiul dintre polarizatoarele succesive | 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 |
Calculul unghiului de reflexie Brewster
Când lumina lovește o suprafață, o parte din lumină este reflectată și o parte din ea pătrunde (refracta). Cantitatea relativă a acestei reflexii și refracții depinde de substanțele care trec prin lumină, precum și de unghiul la care lumina lovește suprafața. Există un unghi optim, în funcție de substanțe, care permite luminii să se refracte (pătrunde) cât mai mult posibil. Acest unghi optim este cunoscut sub numele de unghiul fizicianului scoțian David Brewster.
Calculați unghiulBrewster pentru lumină albă polarizată obișnuită este produs prin formula:
theta=arctan (n1 / n2), unde theta este unghiul Brewster, iar n1 și n2 sunt indicii de refracție ai celor două medii.
Pentru a calcula cel mai bun unghi pentru penetrarea maximă a luminii prin sticlă - din tabelul cu indicele de refracție găsim că indicele de refracție pentru aer este 1,00 și indicele de refracție pentru sticlă este 1,50.
Unghiul Brewster ar fi arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 de grade (aproximativ).
Calculul celui mai bun unghi de lumină pentru o penetrare maximă a apei. Din tabelul indicilor de refracție rezultă că indicele pentru aer este 1,00, iar indicele de refracție pentru apă este 1,33.
Unghiul Brewster ar fi arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 de grade (aproximativ).
Utilizarea luminii polarizate
Un simplu profan nici nu-și poate imagina cât de intens sunt folosiți polarizatoarele în lume. Polarizarea luminii legii lui Malus ne înconjoară peste tot. De exemplu, lucruri atât de populare, cum ar fi ochelarii de soare Polaroid, precum și utilizarea de filtre polarizante speciale pentru lentilele camerei. Diverse instrumente științifice folosesc lumina polarizată emisă de lasere sau prin polarizarea lămpilor incandescente și a surselor fluorescente.
Polarizatorii sunt uneori folosiți în iluminarea camerei și a scenei pentru a reduce strălucirea și pentru a oferi o iluminare mai uniformă și ca ochelari pentru a oferi un sentiment vizibil de profunzime filmelor 3D. Polarizatoare încrucișate chiarfolosit în costumele spațiale pentru a reduce drastic cantitatea de lumină care intră în ochii unui astronaut în timp ce doarme.
Secretele opticii în natură
De ce cer albastru, apus roșu și nori albi? Aceste întrebări sunt cunoscute de toată lumea încă din copilărie. Legile lui Malus și Brewster oferă explicații pentru aceste efecte naturale. Cerul nostru este cu adevărat colorat, datorită soarelui. Lumina sa albă strălucitoare are toate culorile curcubeului încorporate în interior: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet. În anumite condiții, o persoană întâlnește fie un curcubeu, fie un apus de soare, fie o seară cenușie târzie. Cerul este albastru din cauza „împrăștierii” luminii soarelui. Culoarea albastră are o lungime de undă mai scurtă și mai multă energie decât alte culori.
Ca urmare, albastrul este absorbit selectiv de moleculele de aer și apoi eliberat din nou în toate direcțiile. Alte culori sunt mai puțin împrăștiate și, prin urmare, de obicei nu sunt vizibile. Soarele de amiază este galben după ce își absoarbe culoarea albastră. La răsărit sau la apus, lumina soarelui intră sub un unghi mic și trebuie să treacă printr-o grosime mare a atmosferei. Ca urmare, culoarea albastră este complet împrăștiată, astfel încât cea mai mare parte a ei este complet absorbită de aer, pierdută și împrăștiind alte culori, în special portocalii și roșii, creând un orizont de culoare glorios.
Culorile luminii soarelui sunt, de asemenea, responsabile pentru toate nuanțele pe care le iubim pe Pământ, fie că este verde iarbă sau oceanul turcoaz. Suprafața fiecărui obiect selectează culorile specifice pe care le va reflectadistinge-te. Norii sunt adesea alb strălucitor, deoarece sunt excelente reflectoare sau difuzoare de orice culoare. Toate culorile returnate sunt adăugate împreună la alb neutru. Unele materiale reflectă toate culorile în mod uniform, cum ar fi laptele, creta și zahărul.
Importanța sensibilității la polarizare în astronomie
De mult timp, studiul legii lui Malus, efectul polarizării în astronomie a fost ignorat. Starlight este aproape complet nepolarizată și poate fi folosită ca standard. Prezența luminii polarizate în astronomie ne poate spune cum a fost creată lumina. În unele supernove, lumina emisă nu este nepolarizată. În funcție de partea stelei care este văzută, poate fi observată o polarizare diferită.
Aceste informații despre polarizarea luminii din diferite regiuni ale nebuloasei le-ar putea oferi cercetătorilor indicii despre locația stelei în umbră.
În alte cazuri, prezența luminii polarizate poate dezvălui informații despre întreaga parte a galaxiei invizibile. O altă utilizare a măsurătorilor sensibile la polarizare în astronomie este detectarea prezenței câmpurilor magnetice. Studiind polarizarea circulară a culorilor foarte specifice ale luminii care emană din coroana soarelui, oamenii de știință au descoperit informații despre puterea câmpului magnetic în aceste locuri.
Microscopie optică
Microscopul cu lumină polarizată este conceput pentru a observa și fotografia specimene care sunt vizibile prinnatura lor optic anizotropă. Materialele anizotrope au proprietăți optice care se modifică odată cu direcția de propagare a luminii care trece prin ele. Pentru a îndeplini această sarcină, microscopul trebuie să fie echipat atât cu un polarizator plasat pe calea luminii undeva în fața probei, cât și cu un analizor (al doilea polarizator) plasat pe calea optică între deschiderea din spate a obiectivului și tuburile de vizualizare sau portul camerei..
Aplicarea polarizării în biomedicină
Această tendință populară astăzi se bazează pe faptul că în corpurile noastre există mulți compuși activi optic, adică pot roti polarizarea luminii care trece prin ei. Diferiți compuși optic activi pot roti polarizarea luminii în cantități diferite și în direcții diferite.
Unele substanțe chimice optic active sunt prezente în concentrații mai mari în stadiile incipiente ale bolii oculare. Medicii ar putea folosi aceste cunoștințe pentru a diagnostica bolile oculare în viitor. Ne putem imagina că medicul strălucește o sursă de lumină polarizată în ochiul pacientului și măsoară polarizarea luminii reflectate de retină. Folosit ca metodă neinvazivă pentru testarea bolilor oculare.
Darul modernității - ecran LCD
Dacă te uiți cu atenție la ecranul LCD, vei observa că imaginea este o gamă largă de pătrate colorate aranjate într-o grilă. În ele, au găsit aplicarea legii lui Malus,fizica procesului care a creat condițiile când fiecare pătrat sau pixel are propria sa culoare. Această culoare este o combinație de lumină roșie, verde și albastră în fiecare intensitate. Aceste culori primare pot reproduce orice culoare pe care ochiul uman o poate vedea, deoarece ochii noștri sunt tricromatici.
Cu alte cuvinte, ele aproximează lungimi de undă specifice ale luminii analizând intensitatea fiecăruia dintre cele trei canale de culoare.
Displays exploatează acest neajuns afișând doar trei lungimi de undă care vizează selectiv fiecare tip de receptor. Faza de cristale lichide există în starea fundamentală, în care moleculele sunt orientate în straturi și fiecare strat ulterior se răsucește ușor pentru a forma un model elicoidal.
Afișaj LCD cu 7 segmente:
- Electrod pozitiv.
- Electrod negativ.
- Polarizator 2.
- Afișare.
- Polarizator 1.
- Cristal lichid.
Aici LCD-ul se află între două plăci de sticlă, care sunt echipate cu electrozi. LCD-uri cu compuși chimici transparenți cu „molecule răsucite” numite cristale lichide. Fenomenul de activitate optică în unele substanțe chimice se datorează capacității lor de a roti planul luminii polarizate.
Stereopsis filme 3D
Polarizarea permite creierului uman să falsifice 3D analizând diferențele dintre două imagini. Oamenii nu pot vedea în 3D, ochii noștri pot vedea doar în 2D. Imagini. Cu toate acestea, creierul nostru poate înțelege cât de departe sunt obiectele analizând diferențele dintre ceea ce vede fiecare ochi. Acest proces este cunoscut sub numele de Stereopsis.
Deoarece creierul nostru poate vedea doar pseudo-3D, realizatorii de film pot folosi acest proces pentru a crea iluzia de trei dimensiuni fără a recurge la holograme. Toate filmele 3D funcționează prin livrarea a două fotografii, câte una pentru fiecare ochi. Până în anii 1950, polarizarea a devenit metoda dominantă de separare a imaginilor. Cinematografele au început să aibă două proiectoare care rulează simultan, cu un polarizator liniar peste fiecare obiectiv.
Pentru generația actuală de filme 3D, tehnologia a trecut la polarizarea circulară, care se ocupă de problema orientării. Această tehnologie este fabricată în prezent de RealD și reprezintă 90% din piața 3D. RealD a lansat un filtru circular care comută foarte repede între polarizarea în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic, astfel încât este folosit un singur proiector în loc de două.
