Det är svårt att peka ut vem som var den första som upptäckte polariserat ljus. Forntida människor kunde lägga märke till en speciell plats genom att titta på himlen i vissa riktningar. Polarisering har många egenheter, visar sig inom olika områden av livet, och idag är den föremål för massforskning och tillämpning, orsaken till allt är Malus lag.
Upptäckt av polariserat ljus
Vikings kan ha använt himmelpolarisering för att navigera. Även om de inte gjorde det så hittade de definitivt Island och den underbara kalcitstenen. Isländsk spar (kalcit) var känd även på sin tid, det är Islands invånare han har sitt namn att tacka. Mineralet användes en gång i navigering på grund av dess unika optiska egenskaper. Det spelade en viktig roll i den moderna upptäckten av polarisation och fortsätter att vara det material som v alts för att separera ljusets polarisationskomponenter.
År 1669 såg den danske matematikern från Köpenhamns universitet, Erasmus Bartholinus, inte bara ett dubbelljus, utan utförde också några experiment och skrev en 60-sidig memoarbok. Detta ärvar den första vetenskapliga beskrivningen av polarisationseffekten, och författaren kan betraktas som upptäckaren av denna fantastiska egenskap hos ljus.
Christian Huygens utvecklade teorin om pulserande vågor om ljus, som han publicerade 1690 i sin berömda bok Traite de la Lumiere. Samtidigt förde Isaac Newton fram den korpuskulära teorin om ljus i sin bok Opticks (1704). Till slut var båda rätt och fel, eftersom ljus har en dubbel natur (våg och partikel). Ändå var Huygens närmare den moderna förståelsen av processen.
År 1801 gjorde Thomas Young det berömda dubbelslitsinterferensexperimentet. Bevisat att ljus beter sig som vågor, och överlagring av vågor kan leda till mörker (destruktiv interferens). Han använde sin teori för att förklara saker som Newtons ringar och övernaturliga regnbågsbågar. Ett genombrott inom vetenskapen kom några år senare när Jung visade att polarisering beror på ljusets tvärvågsnatur.
Ung Etienne Louis Malus levde i en turbulent era - under franska revolutionen och skräckvälde. Han deltog med Napoleons armé i invasionen av Egypten, samt Palestina och Syrien, där han drabbades av pesten som dödade honom några år senare. Men han lyckades ge ett viktigt bidrag till förståelsen av polarisering. Malus lag, som förutspådde intensiteten av ljus som sänds genom en polarisator, har blivit en av de mest populära under 2000-talet när man skapade skärmar med flytande kristaller.
Sir David Brewster, berömd vetenskapsskribent, studerade optiska fysikämnen som dikroism och spektraabsorption, samt mer populära motiv som stereofotografering. Brewsters berömda fras är känd: "Allt är genomskinligt utom glas".
Han gjorde också ett ovärderligt bidrag till studiet av ljus:
- Lagen som beskriver "polarisationsvinkeln".
- Uppfinning av kalejdoskopet.
Brewster upprepade Malus experiment för många ädelstenar och andra material, upptäckte en anomali i glas, och upptäckte lagen - "Brewsters vinkel". Enligt honom, "…när strålen är polariserad, bildar den reflekterade strålen en rät vinkel med den brutna strålen."
Malus polarisationslag
Innan vi pratar om polarisering måste vi först komma ihåg om ljus. Ljus är en våg, även om det ibland är en partikel. Men i alla fall är polarisering vettigt om vi tänker på ljus som en våg, som en linje, när det färdas från lampan till ögonen. Det mesta ljuset är en blandad röra av ljusvågor som vibrerar i alla riktningar. Denna oscillationsriktning kallas ljusets polarisering. Polarisatorn är enheten som rensar upp denna röra. Den accepterar allt som blandar ljus och släpper bara igenom ljus som svänger i en viss riktning.
Formuleringen av Malus lag är: när ett helt platt polariserat ljus faller på analysatorn, är intensiteten av ljuset som sänds ut av analysatorn direkt proportionell mot kvadraten på cosinus för vinkeln mellan analysatorns transmissionsaxlar och polarisatorn.
En tvärgående elektromagnetisk våg innehåller både ett elektriskt och ett magnetiskt fält, och det elektriska fältet i en ljusvåg är vinkelrät mot riktningen för ljusvågens utbredning. Riktningen för ljusvibrationen är den elektriska vektorn E.
För en vanlig opolariserad stråle, fortsätter den elektriska vektorn att ändra sin riktning slumpmässigt när ljus passerar genom en polaroid, det resulterande ljuset är planpolariserat med dess elektriska vektor som vibrerar i en viss riktning. Riktningen för den framträdande strålvektorn beror på polaroidens orientering, och polarisationsplanet är utformat som ett plan som innehåller E-vektorn och ljusstrålen.
Figuren nedan visar platt polariserat ljus på grund av den vertikala vektorn EI och den horisontella vektorn EII.
Opolariserat ljus passerar genom en polaroid P 1 och sedan genom en polaroid P 2, och bildar en vinkel θ med y ax-s. Efter att ljus som fortplantar sig längs x-riktningen passerar genom polaroiden P 1, kommer den elektriska vektorn som är associerad med det polariserade ljuset endast att vibrera längs y-axeln.
Nu om vi tillåter denna polariserade stråle att passera genom den polariserade P 2 igen och gör en vinkel θ med y-axeln, då om E 0 är amplituden för det infallande elektriska fältet på P 2, då amplituden av vågen som kommer ut ur P 2, kommer att vara lika med E 0 cosθ och därför kommer intensiteten för den framträdande strålen att vara enligt Malus lag (formel) I=I 0 cos 2 θ
där I 0 är intensiteten hos strålen som kommer ut från P 2 när θ=0θ är vinkeln mellan analysatorns och polarisatorns transmissionsplan.
Ljusintensitetsberäkningsexempel
Malus' lag: I 1=I o cos 2 (q);
där q är vinkeln mellan ljusets polarisationsriktning och polarisatorns transmissionsaxel.
Opolariserat ljus med intensitet I o=16 W/m 2 faller på ett par polarisatorer. Den första polarisatorn har en transmissionsaxel som är inriktad på ett avstånd av 50° från vertikalen. Den andra polarisatorn har transmissionsaxeln inriktad på ett avstånd av 20o från vertikalen.
Ett test av Malus lag kan göras genom att beräkna hur intensivt ljuset är när det kommer ut från den första polarisatorn:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Ljuset är inte polariserat, så I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Ljusintensitet från den andra polarisatorn:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Följt av Malus-lagen, vars formulering bekräftar att när ljus lämnar den första polarisatorn är det linjärt polariserat vid 50o. Vinkeln mellan denna och den andra polarisatorns transmissionsaxel är 30°. Därför:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Nu faller den linjära polarisationen av en ljusstråle med en intensitet på 16 W/m 2 på samma polarisatorpar. Polarisationsriktningen för det infallande ljuset är 20o från vertikalen.
Ljusintensiteten som kommer ut från den första och andra polarisatorn. Genom att passera varje polarisator minskar intensiteten med en faktor 3/4. Efter att ha lämnat den första polarisatornintensiteten är 163/4 =12 W/m2 och minskar till 123/4 =9 W/m2 efter att ha passerat den andra.
malusisk lagpolarisering säger att för att vända ljus från en polarisationsriktning till en annan minskas intensitetsförlusten genom att använda fler polarisatorer.
Anta att du behöver rotera polarisationsriktningen med 90o.
| N, antal polarisatorer | Vinkel mellan på varandra följande 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 |
Beräkning av Brewster-reflektionsvinkeln
När ljus träffar en yta reflekteras en del av ljuset och en del av det tränger igenom (bryts). Den relativa mängden av denna reflektion och brytning beror på de ämnen som passerar genom ljuset, samt vinkeln med vilken ljuset träffar ytan. Det finns en optimal vinkel, beroende på ämnena, som gör att ljuset kan bryta (penetrera) så mycket som möjligt. Denna optimala vinkel är känd som den skotske fysikern David Brewsters vinkel.
Beräkna vinkelnBrewster för vanligt polariserat vitt ljus produceras med formeln:
theta=arktan (n1 / n2), där theta är Brewster-vinkeln och n1 och n2 är brytningsindexen för de två medierna.
För att beräkna den bästa vinkeln för maximal ljusgenomträngning genom glas - från brytningsindextabellen finner vi att brytningsindex för luft är 1,00 och brytningsindex för glas är 1,50.
Brewster-vinkeln skulle vara arktan (1,50 / 1,00)=arktan (1,50)=56 grader (ungefär).
Beräknar den bästa ljusvinkeln för maximal vattenpenetration. Av tabellen över brytningsindex följer att index för luft är 1,00 och brytningsindex för vatten är 1,33.
Brewster-vinkeln skulle vara arktan (1,33 / 1,00)=arktan (1,33)=53 grader (ungefär).
Användning av polariserat ljus
En enkel lekman kan inte ens föreställa sig hur intensivt polarisatorer används i världen. Polariseringen av ljuset från Malus lag omger oss överallt. Till exempel sådana populära saker som Polaroid-solglasögon, samt användningen av speciella polariserande filter för kameralinser. Olika vetenskapliga instrument använder polariserat ljus som sänds ut av lasrar eller av polariserande glödlampor och lysrör.
Polarisatorer används ibland i rums- och scenbelysning för att minska bländning och ge jämnare belysning och som glasögon för att ge en synlig känsla av djup till 3D-filmer. Korsade polarisatorer till och medanvänds i rymddräkter för att drastiskt minska mängden ljus som kommer in i en astronauts ögon när han sover.
Optikens hemligheter i naturen
Varför blå himmel, röd solnedgång och vita moln? Dessa frågor är kända för alla sedan barndomen. Lagarna i Malus och Brewster ger förklaringar till dessa naturliga effekter. Vår himmel är verkligen färgglad, tack vare solen. Dess starka vita ljus har alla regnbågens färger inbäddade inuti: rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och violett. Under vissa förhållanden möter en person antingen en regnbåge, eller en solnedgång, eller en grå sen kväll. Himlen är blå på grund av solljusets "spridning". Färgen blå har en kortare våglängd och mer energi än andra färger.
Som ett resultat absorberas blått selektivt av luftmolekyler och frigörs sedan igen i alla riktningar. Andra färger är mindre spridda och därför vanligtvis inte synliga. Middagssolen är gul efter att ha absorberat sin blå färg. Vid soluppgång eller solnedgång kommer solljuset in i en låg vinkel och måste passera genom en stor tjocklek av atmosfären. Som ett resultat av detta sprids den blå färgen ordentligt, så att det mesta absorberas helt av luften, förloras och sprider andra färger, särskilt apelsiner och röda, vilket skapar en strålande färghorisont.
Färgerna på solljus är också ansvariga för alla nyanser vi älskar på jorden, oavsett om det är gräsgrönt eller det turkosa havet. Ytan på varje objekt väljer de specifika färgerna det kommer att reflektera för attsärskilja dig. Moln är ofta lysande vita eftersom de är utmärkta reflektorer eller diffusorer av vilken färg som helst. Alla returnerade färger läggs ihop till neutral vit. Vissa material reflekterar alla färger jämnt, som mjölk, krita och socker.
Vikten av polarisationskänslighet i astronomi
Under lång tid ignorerades studiet av Malus lag, effekten av polarisering inom astronomi. Starlight är nästan helt opolariserat och kan användas som standard. Närvaron av polariserat ljus i astronomi kan berätta för oss hur ljus skapades. I vissa supernovor är ljuset som sänds ut inte opolariserat. Beroende på vilken del av stjärnan som visas kan en annan polarisation ses.
Denna information om polariseringen av ljus från olika regioner av nebulosan kan ge forskare ledtrådar till platsen för den skuggade stjärnan.
I andra fall kan närvaron av polariserat ljus avslöja information om hela delen av den osynliga galaxen. En annan användning av polarisationskänsliga mätningar inom astronomi är att upptäcka närvaron av magnetfält. Genom att studera den cirkulära polariseringen av mycket specifika ljusfärger som kommer från solens korona, har forskare upptäckt information om styrkan hos magnetfältet på dessa platser.
Optisk mikroskopi
Det polariserade ljusmikroskopet är utformat för att observera och fotografera prover som är synliga genomderas optiskt anisotropa natur. Anisotropa material har optiska egenskaper som ändras med utbredningsriktningen för ljus som passerar genom dem. För att utföra denna uppgift måste mikroskopet vara utrustat med både en polarisator placerad i ljusbanan någonstans framför provet, och en analysator (andra polarisator) placerad i den optiska banan mellan objektivets bakre bländare och betraktningsrören eller kameraporten..
Tillämpning av polarisering i biomedicin
Denna populära trend idag är baserad på det faktum att det i våra kroppar finns många föreningar som är optiskt aktiva, det vill säga de kan rotera polarisationen av ljuset som passerar genom dem. Olika optiskt aktiva föreningar kan rotera polarisationen av ljus i olika mängder och i olika riktningar.
Vissa optiskt aktiva kemikalier finns i högre koncentrationer i de tidiga stadierna av ögonsjukdom. Läkare skulle potentiellt kunna använda denna kunskap för att diagnostisera ögonsjukdomar i framtiden. Man kan tänka sig att läkaren lyser in en polariserad ljuskälla i patientens öga och mäter polariseringen av ljuset som reflekteras från näthinnan. Används som en icke-invasiv metod för att testa ögonsjukdom.
Modernitetens gåva - LCD-skärm
Om du tittar noga på LCD-skärmen kommer du att märka att bilden är en stor mängd färgade rutor arrangerade i ett rutnät. I dem fann de tillämpning av Malus lag,fysiken i processen som skapade förutsättningarna när varje kvadrat eller pixel har sin egen färg. Denna färg är en kombination av rött, grönt och blått ljus i varje intensitet. Dessa primära färger kan återge vilken färg som helst som det mänskliga ögat kan se eftersom våra ögon är trikromatiska.
Med andra ord, de approximerar specifika våglängder av ljus genom att analysera intensiteten för var och en av de tre färgkanalerna.
Displays utnyttjar denna brist genom att endast visa tre våglängder som selektivt riktar in sig på varje typ av receptor. Den flytande kristallfasen existerar i grundtillståndet, där molekylerna är orienterade i lager, och varje efterföljande lager vrids något för att bilda ett spiralformigt mönster.
7-segment LCD-skärm:
- Positiv elektrod.
- Negativ elektrod.
- Polarizer 2.
- Display.
- Polarizer 1.
- Flytande kristall.
Här är LCD-skärmen mellan två glasplattor, som är utrustade med elektroder. LCD-skärmar av genomskinliga kemiska föreningar med "tvinnade molekyler" som kallas flytande kristaller. Fenomenet med optisk aktivitet i vissa kemikalier beror på deras förmåga att rotera planet för polariserat ljus.
Stereopsis 3D-filmer
Polarisering tillåter den mänskliga hjärnan att fejka 3D genom att analysera skillnaderna mellan två bilder. Människor kan inte se i 3D, våra ögon kan bara se i 2D. Bilder. Men våra hjärnor kan förstå hur långt borta föremål är genom att analysera skillnaderna i vad varje öga ser. Denna process kallas Stereopsis.
Eftersom våra hjärnor bara kan se pseudo-3D, kan filmskapare använda denna process för att skapa en illusion av tre dimensioner utan att tillgripa hologram. Alla 3D-filmer fungerar genom att leverera två bilder, en för varje öga. På 1950-talet hade polarisering blivit den dominerande metoden för bildseparering. Teatrar började ha två projektorer igång samtidigt, med en linjär polarisator över varje lins.
För den nuvarande generationen av 3D-filmer har tekniken gått över till cirkulär polarisering, vilket tar hand om orienteringsproblemet. Denna teknik tillverkas för närvarande av RealD och står för 90 % av 3D-marknaden. RealD släppte ett cirkulärt filter som växlar mellan medurs och moturs polarisering mycket snabbt, så endast en projektor används istället för två.
