Трудно е да се определи кой е първият открил поляризирана светлина. Древните хора са могли да забележат особено място, като гледат небето в определени посоки. Поляризацията има много странности, проявява се в различни области на живота и днес е обект на масови изследвания и приложение, причината за всичко е законът на Малус.
Откриване на поляризирана светлина
Викингите може да са използвали поляризация на небето за навигация. Дори и да не са го направили, определено са намерили Исландия и прекрасния калцитен камък. Исландският шпат (калцит) е бил известен още по тяхно време, именно на жителите на Исландия той дължи името си. Минералът някога е бил използван в навигацията поради уникалните си оптични свойства. Той изигра основна роля в съвременното откритие на поляризацията и продължава да бъде избраният материал за разделяне на поляризационните компоненти на светлината.
През 1669 г. датският математик от университета в Копенхаген, Еразъм Бартолинус, не само видя двойна светлина, но и извърши някои експерименти, написвайки мемоари от 60 страници. Това ебеше първото научно описание на поляризационния ефект и авторът може да се счита за откривател на това невероятно свойство на светлината.
Кристиан Хюйгенс разработва теорията на импулсните вълни на светлината, която публикува през 1690 г. в известната си книга Traite de la Lumiere. В същото време Исак Нютон развива корпускулярната теория на светлината в своята книга Opticks (1704). В крайна сметка и двете бяха прави и грешни, тъй като светлината има двойна природа (вълна и частица). И все пак Хюйгенс беше по-близо до съвременното разбиране на процеса.
През 1801 г. Томас Йънг прави известния експеримент за интерференция с двоен процеп. Доказано е, че светлината се държи като вълни, а наслагването на вълни може да доведе до тъмнина (разрушителна интерференция). Той използва своята теория, за да обясни неща като пръстените на Нютон и свръхестествените дъги. Пробив в науката дойде няколко години по-късно, когато Юнг показа, че поляризацията се дължи на напречната вълнова природа на светлината.
Младият Етиен Луи Малус е живял в бурна епоха - по време на Френската революция и царуването на терора. Той участва с армията на Наполеон в нахлуването на Египет, както и в Палестина и Сирия, където се заразява с чумата, която го убива няколко години по-късно. Но той успя да даде важен принос за разбирането на поляризацията. Законът на Малус, който предсказва интензитета на светлината, предавана през поляризатор, се превърна в един от най-популярните през 21-ви век при създаването на екрани с течни кристали.
Сър Дейвид Брустър, известен научен писател, изучава предмети от оптична физика като дихроизъм и спектриабсорбция, както и по-популярни теми като стерео фотография. Известна е известната фраза на Брустър: „Всичко е прозрачно освен стъклото“.
Той също направи безценен принос в изучаването на светлината:
- Законът, описващ "ъгъла на поляризация".
- Изобретението на калейдоскопа.
Брустър повтори експериментите на Малус за много скъпоценни камъни и други материали, откривайки аномалия в стъклото, и открива закона - "ъгълът на Брюстър". Според него "…когато лъчът е поляризиран, отразеният лъч образува прав ъгъл с пречупения лъч."
Malus поляризационен закон
Преди да говорим за поляризация, първо трябва да си спомним за светлината. Светлината е вълна, въпреки че понякога е частица. Но във всеки случай поляризацията има смисъл, ако мислим за светлината като вълна, като линия, докато пътува от лампата към очите. Повечето светлина е смесена бъркотия от светлинни вълни, които вибрират във всички посоки. Тази посока на трептене се нарича поляризация на светлината. Поляризаторът е устройството, което почиства тази каша. Той приема всичко, което смесва светлина и пропуска само светлина, която се колебае в една определена посока.
Формулирането на закона на Малус е: когато върху анализатора падне напълно плоска поляризирана светлина, интензитетът на светлината, предаван от анализатора, е право пропорционален на квадрата на косинуса на ъгъла между осите на предаване на анализатора и поляризатора.
Напречната електромагнитна вълна съдържа както електрическо, така и магнитно поле, като електрическото поле в светлинната вълна е перпендикулярно на посоката на разпространение на светлинната вълна. Посоката на светлинната вибрация е електрически вектор E.
За обикновен неполяризиран лъч, електрическият вектор продължава да променя посоката си на случаен принцип, когато светлината преминава през поляроид, получената светлина е равнинно поляризирана с електрическия му вектор, който вибрира в определена посока. Посоката на вектора на излъчващия лъч зависи от ориентацията на поляроида, а равнината на поляризация е проектирана като равнина, съдържаща E-вектора и светлинния лъч.
Фигурата по-долу показва плоска поляризирана светлина поради вертикалния вектор EI и хоризонталния вектор EII.
Неполяризираната светлина преминава през Polaroid P 1 и след това през Polaroid P 2, образувайки ъгъл θ с y ax-s. След като светлината, разпространяваща се в посока x, премине през Polaroid P 1, електрическият вектор, свързан с поляризираната светлина, ще вибрира само по оста y.
Сега, ако позволим на този поляризиран лъч да премине отново през поляризирания P 2, създавайки ъгъл θ с оста y, тогава ако E 0 е амплитудата на падащото електрическо поле върху P 2, тогава амплитудата на вълната, излизаща от P 2, ще бъде равна на E 0 cosθ и следователно, интензитетът на излизащия лъч ще бъде съгласно закона на Малус (формула) I=I 0 cos 2 θ
където I 0 е интензитетът на лъча, излизащ от P 2, когато θ=0θ е ъгълът между равнините на предаване на анализатора и поляризатора.
Пример за изчисляване на интензитета на светлината
Закон на Малус: I 1=I o cos 2 (q);
където q е ъгълът между посоката на поляризация на светлината и оста на предаване на поляризатора.
Неполяризирана светлина с интензитет I o=16 W/m 2 пада върху двойка поляризатори. Първият поляризатор има ос на предаване, подравнена на разстояние 50° от вертикалата. Вторият поляризатор има ос на предаване, подравнена на разстояние 20o от вертикалата.
Тест на закона на Малус може да бъде направен, като се изчисли колко интензивна е светлината, когато излезе от първия поляризатор:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Светлината не е поляризирана, така че I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Интензитет на светлината от втория поляризатор:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Следвано от закона на Малус, формулировката на който потвърждава, че когато светлината напусне първия поляризатор, тя е линейно поляризирана при 50o. Ъгълът между това и предавателната ос на втория поляризатор е 30°. Следователно:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Сега линейната поляризация на лъч светлина с интензитет от 16 W/m 2 пада върху същата двойка поляризатори. Посоката на поляризация на падащата светлина е 20o от вертикалата.
Интензитет на светлината, излизаща от първия и втория поляризатор. Преминавайки през всеки поляризатор, интензитетът намалява с коефициент 3/4. След напускане на първия поляризаторинтензитетът е 163/4 =12 W/m2 и намалява до 123/4 =9 W/m2 след преминаване на секундата.
Малузийският закон поляризация казва, че за да се обърне светлината от една посока на поляризация в друга, загубата на интензитет се намалява чрез използване на повече поляризатори.
Да предположим, че трябва да завъртите посоката на поляризация с 90o.
| N, брой поляризатори | Ъгъл между последователни поляризатори | 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 |
Изчисляване на ъгъла на отражение на Брюстър
Когато светлината удари повърхност, част от светлината се отразява и част от нея прониква (пречупва). Относителното количество на това отражение и пречупване зависи от веществата, преминаващи през светлината, както и от ъгъла, под който светлината удря повърхността. Има оптимален ъгъл, в зависимост от веществата, който позволява на светлината да се пречупи (проникне) колкото е възможно повече. Този оптимален ъгъл е известен като ъгълът на шотландския физик Дейвид Брустър.
Изчислете ъгълаBrewster за обикновена поляризирана бяла светлина се произвежда по формулата:
тета=арктан (n1 / n2), където theta е ъгълът на Брюстър, а n1 и n2 са показателите на пречупване на двете среди.
За да се изчисли най-добрият ъгъл за максимално проникване на светлина през стъкло - от таблицата с индекса на пречупване откриваме, че индексът на пречупване за въздуха е 1,00, а индексът на пречупване за стъкло е 1,50.
Ъгълът на Брюстър ще бъде арктан (1,50 / 1,00)=арктан (1,50)=56 градуса (приблизително).
Изчисляване на най-добрия светлинен ъгъл за максимално проникване на вода. От таблицата с показателите на пречупване следва, че индексът за въздуха е 1,00, а показателят на пречупване на водата е 1,33.
Ъгълът на Брюстър ще бъде арктан (1,33 / 1,00)=арктан (1,33)=53 градуса (приблизително).
Използване на поляризирана светлина
Прост лаик дори не може да си представи колко интензивно се използват поляризатори в света. Поляризацията на светлината на закона на Малус ни заобикаля навсякъде. Например такива популярни неща като слънчеви очила Polaroid, както и използването на специални поляризационни филтри за обективи на фотоапарати. Различни научни инструменти използват поляризирана светлина, излъчвана от лазери или от поляризиращи лампи с нажежаема жичка и флуоресцентни източници.
Поляризаторите понякога се използват в осветлението на стаи и сцени за намаляване на отблясъците и осигуряване на по-равномерно осветление и като очила, за да придадат видимо усещане за дълбочина на 3D филмите. Кръстосани поляризатори дориизползва се в скафандри, за да намали драстично количеството светлина, което влиза в очите на астронавта, докато спи.
Тайните на оптиката в природата
Защо синьо небе, червен залез и бели облаци? Тези въпроси са известни на всеки от детството. Законите на Малус и Брустър дават обяснения за тези природни ефекти. Нашето небе е наистина цветно, благодарение на слънцето. Ярката му бяла светлина съдържа всички цветове на дъгата, вградени вътре: червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго и виолетово. При определени условия човек среща или дъга, или залез, или сива късна вечер. Небето е синьо заради "разпръскването" на слънчевата светлина. Синият цвят има по-къса дължина на вълната и повече енергия от другите цветове.
В резултат на това синьото се абсорбира селективно от въздушните молекули и след това се освобождава отново във всички посоки. Други цветове са по-малко разпръснати и следователно обикновено не се виждат. Обедното слънце е жълто, след като погълне синия си цвят. При изгрев или залез слънчевата светлина навлиза под нисък ъгъл и трябва да премине през голяма дебелина на атмосферата. В резултат на това синият цвят е напълно разпръснат, така че по-голямата част от него се абсорбира напълно от въздуха, губи се и разпръсква други цветове, особено портокалови и червени, създавайки великолепен цветен хоризонт.
Цветовете на слънчевата светлина също са отговорни за всички нюанси, които обичаме на Земята, независимо дали е тревистозелено или тюркоазения океан. Повърхността на всеки обект избира специфичните цветове, които ще отразяваотличи се. Облаците често са брилянтно бели, защото са отлични рефлектори или дифузори от всякакъв цвят. Всички върнати цветове се добавят към неутрално бяло. Някои материали отразяват всички цветове равномерно, като мляко, тебешир и захар.
Значението на поляризационната чувствителност в астрономията
Дълго време, изучаването на закона на Малус, ефектът от поляризацията в астрономията беше игнориран. Starlight е почти напълно неполяризирана и може да се използва като стандарт. Наличието на поляризирана светлина в астрономията може да ни каже как е създадена светлината. При някои свръхнови излъчваната светлина не е неполяризирана. В зависимост от частта от звездата, която се гледа, може да се види различна поляризация.
Тази информация за поляризацията на светлината от различни региони на мъглявината може да даде на изследователите улики за местоположението на засенчената звезда.
В други случаи наличието на поляризирана светлина може да разкрие информация за цялата част от невидимата галактика. Друго използване на поляризационно чувствителни измервания в астрономията е да се открие наличието на магнитни полета. Изучавайки кръговата поляризация на много специфични цветове на светлината, излъчвана от слънчевата корона, учените са открили информация за силата на магнитното поле на тези места.
Оптична микроскопия
Микроскопът с поляризирана светлина е предназначен да наблюдава и фотографира образци, които се виждат презтяхната оптично анизотропна природа. Анизотропните материали имат оптични свойства, които се променят с посоката на разпространение на светлината, преминаваща през тях. За да изпълни тази задача, микроскопът трябва да бъде оборудван както с поляризатор, поставен в светлинния път някъде пред пробата, така и с анализатор (втори поляризатор), поставен в оптичния път между задната апертура на обектива и зрителните тръби или порта на камерата.
Прилагане на поляризацията в биомедицината
Тази популярна тенденция днес се основава на факта, че в телата ни има много съединения, които са оптически активни, тоест могат да въртят поляризацията на светлината, преминаваща през тях. Различни оптично активни съединения могат да въртят поляризацията на светлината в различни количества и в различни посоки.
Някои оптично активни химикали присъстват в по-високи концентрации в ранните стадии на очно заболяване. Лекарите потенциално биха могли да използват това знание за диагностициране на очни заболявания в бъдеще. Човек може да си представи, че лекарят осветява поляризиран източник на светлина в окото на пациента и измерва поляризацията на светлината, отразена от ретината. Използва се като неинвазивен метод за изследване на очни заболявания.
Подаръкът на модерността - LCD екран
Ако погледнете внимателно LCD екрана, ще забележите, че изображението е голям набор от цветни квадрати, подредени в мрежа. В тях те намериха приложение на закона на Малус,физиката на процеса, който създава условия, когато всеки квадрат или пиксел има свой собствен цвят. Този цвят е комбинация от червена, зелена и синя светлина във всяка интензивност. Тези основни цветове могат да възпроизвеждат всеки цвят, който човешкото око може да види, защото очите ни са трицветни.
С други думи, те апроксимират специфични дължини на вълната на светлината, като анализират интензитета на всеки от трите цветни канала.
Дисплеите използват този недостатък, като показват само три дължини на вълната, които избирателно са насочени към всеки тип рецептор. Течнокристалната фаза съществува в основно състояние, в което молекулите са ориентирани на слоеве и всеки следващ слой се усуква леко, за да образува спираловиден модел.
7-сегментен LCD дисплей:
- Положителен електрод.
- Отрицателен електрод.
- Поляризатор 2.
- Дисплей.
- Поляризатор 1.
- Течен кристал.
Тук LCD дисплеят е между две стъклени плочи, които са оборудвани с електроди. LCD дисплеи от прозрачни химически съединения с "усукани молекули", наречени течни кристали. Феноменът на оптична активност в някои химикали се дължи на способността им да въртят равнината на поляризирана светлина.
Stereopsis 3D филми
Поляризацията позволява на човешкия мозък да фалшифицира 3D, като анализира разликите между две изображения. Хората не могат да виждат в 3D, нашите очи могат да виждат само в 2D. Изображения. Въпреки това, нашият мозък може да разбере колко далеч са обектите, като анализира разликите в това, което всяко око вижда. Този процес е известен като Stereopsis.
Тъй като мозъците ни могат да виждат само псевдо-3D, режисьорите могат да използват този процес, за да създадат илюзията за три измерения, без да прибягват до холограми. Всички 3D филми работят, като предоставят две снимки, по една за всяко око. До 50-те години на миналия век поляризацията се превърна в доминиращ метод за разделяне на изображения. Театрите започнаха да имат два проектора, работещи едновременно, с линеен поляризатор върху всеки обектив.
За настоящото поколение 3D филми технологията премина към кръгова поляризация, която се грижи за проблема с ориентацията. Тази технология в момента се произвежда от RealD и представлява 90% от 3D пазара. RealD пусна кръгов филтър, който превключва между поляризация по посока на часовниковата стрелка и обратна на часовниковата стрелка много бързо, така че се използва само един проектор вместо два.
