Nehéz kiemelni, hogy ki volt az első, aki felfedezte a polarizált fényt. Az ókori emberek egy sajátos helyet vehettek észre, ha bizonyos irányokba nézték az eget. A polarizációnak számos furcsasága van, az élet különböző területein megnyilvánul, és ma már tömeges kutatások és alkalmazások tárgya, mindennek az oka a Malus törvénye.
Polarizált fény felfedezése
A vikingek használhatták az égbolt polarizációját a navigáláshoz. Ha nem is, de biztosan megtalálták Izlandot és a csodálatos kalcitkövet. Az izlandi kalcitot már az ő idejükben is ismerték, Izland lakóinak köszönheti nevét. Egyedülálló optikai tulajdonságai miatt az ásványt valaha hajózásban használták. Jelentős szerepet játszott a polarizáció modern felfedezésében, és továbbra is a választott anyag a fény polarizációs összetevőinek elválasztására.
1669-ben a Koppenhágai Egyetem dán matematikusa, Erasmus Bartholinus nemcsak kettős fényt látott, hanem kísérleteket is végzett, és egy 60 oldalas emlékiratot írt. Ezvolt az első tudományos leírás a polarizációs hatásról, és a szerző a fény e csodálatos tulajdonságának felfedezőjének tekinthető.
Christian Huygens kidolgozta a fény impulzushullám-elméletét, amelyet 1690-ben publikált a Traite de la Lumiere című híres könyvében. Ugyanakkor Isaac Newton Opticks (1704) című könyvében továbbfejlesztette a fény korpuszkuláris elméletét. Végül mindkettő helyes és helytelen volt, mivel a fénynek kettős természete van (hullám és részecske). Huygens mégis közelebb állt a folyamat modern megértéséhez.
1801-ben Thomas Young elvégezte a híres kettős rés interferencia kísérletet. Bebizonyosodott, hogy a fény hullámként viselkedik, és a hullámok szuperpozíciója sötétséghez vezethet (pusztító interferencia). Elméletét olyan dolgok magyarázatára használta, mint Newton gyűrűi és természetfeletti szivárványívek. A tudományban néhány évvel később következett be az áttörés, amikor Jung kimutatta, hogy a polarizáció a fény keresztirányú hullámtermészetének köszönhető.
A fiatal Etienne Louis Malus viharos korszakban élt – a francia forradalom és a rémuralom idején. Napóleon hadseregével részt vett Egyiptom, valamint Palesztina és Szíria inváziójában, ahol néhány évvel később elkapta a pestist, amely megölte. De sikerült jelentős mértékben hozzájárulnia a polarizáció megértéséhez. A Malus-törvény, amely megjósolta a polarizátoron áthaladó fény intenzitását, a 21. században az egyik legnépszerűbb lett a folyadékkristályos képernyők megalkotásakor.
Sir David Brewster, a híres tudományos író, olyan optikai fizika tárgyakat tanult, mint a dikroizmus és a spektrumaz elnyelés, valamint a népszerűbb témák, például a sztereó fotózás. Brewster híres mondata ismert: "Minden átlátszó, kivéve az üveget".
A fény tanulmányozásához is felbecsülhetetlen értékű hozzájárulást tett:
- A "polarizációs szöget" leíró törvény.
- A kaleidoszkóp feltalálása.
Brewster megismételte Malus kísérleteit sok drágakővel és más anyaggal kapcsolatban, felfedezve egy anomáliát az üvegben, és felfedezte a törvényt – "Brewster-szöget". Szerinte „…ha a nyaláb polarizált, a visszavert sugár derékszöget zár be a megtört sugárral.”
Malus polarizációs törvény
Mielőtt a polarizációról beszélnénk, először is emlékeznünk kell a fényre. A fény hullám, bár néha részecske. De mindenesetre a polarizációnak van értelme, ha a fényt hullámnak, vonalnak tekintjük, ahogy a lámpától a szem felé halad. A legtöbb fény fényhullámok kevert összevisszasága, amelyek minden irányban vibrálnak. Ezt az oszcillációs irányt a fény polarizációjának nevezik. A polarizátor az az eszköz, amely kitisztítja ezt a rendetlenséget. Mindent elfogad, ami keveri a fényt, és csak azt a fényt engedi át, amely egy adott irányba oszcillál.
A Malus-törvény megfogalmazása a következő: amikor teljesen lapos, polarizált fény esik az analizátorra, az analizátor által átbocsátott fény intenzitása egyenesen arányos az analizátor átviteli tengelyei és a tengelyei közötti szög koszinuszának négyzetével. a polarizátor.
A keresztirányú elektromágneses hullám elektromos és mágneses mezőt is tartalmaz, és a fényhullámban az elektromos tér merőleges a fényhullám terjedésének irányára. A fény rezgésének iránya az E elektromos vektor.
Egy közönséges polarizálatlan nyaláb esetében az elektromos vektor véletlenszerűen változtatja irányát, amikor a fény áthalad egy polaroidon, a kapott fény sík polarizált, elektromos vektora egy bizonyos irányban rezeg. A kialakuló nyalábvektor iránya a polaroid orientációjától függ, a polarizációs sík pedig az E-vektort és a fénysugarat tartalmazó sík.
Az alábbi ábra lapos polarizált fényt mutat az EI függőleges vektor és az EII vízszintes vektor miatt.
A polarizálatlan fény áthalad egy P 1 polaroidon, majd egy P 2 polaroidon, és θ szöget zár be az y tengelyekkel. Miután az x irányban terjedő fény áthalad a P 1 polaroidon, a polarizált fénnyel társított elektromos vektor csak az y tengely mentén rezeg.
Ha megengedjük, hogy ez a polarizált nyaláb ismét áthaladjon a polarizált P 2-n, és θ szöget zárjon be az y tengellyel, akkor ha E 0 a P 2-re beeső elektromos tér amplitúdója, akkor a a P 2-ből kilépő hullám egyenlő lesz E 0 cosθ-val, és ezért a kilépő nyaláb intenzitása a Malus-törvény szerint lesz (képlet) I=I 0 cos 2 θ
ahol I 0 a P 2-ből kilépő nyaláb intenzitása, ha θ=0θ az analizátor és a polarizátor átviteli síkjai közötti szög.
Példa a fényintenzitás számítására
Malus törvénye: I 1=I o cos 2 (q);
ahol q a fény polarizációs iránya és a polarizátor átviteli tengelye közötti szög.
I o=16 W/m 2 intenzitású polarizálatlan fény egy polarizátorpárra esik. Az első polarizátor átviteli tengelye a függőlegestől 50°-ra van egy vonalban. A második polarizátor átviteli tengelye a függőlegestől 20o-os távolságra van egy vonalban.
A Malus-törvény tesztelése elvégezhető úgy, hogy kiszámítjuk, milyen erős a fény, amikor az első polarizátorból kilép:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
A fény nem polarizált, ezért I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
A második polarizátor fényének intenzitása:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Ezt követi a Malus-törvény, melynek megfogalmazása megerősíti, hogy amikor a fény elhagyja az első polarizátort, az 50o-nál lineárisan polarizálódik. Ez és a második polarizátor átviteli tengelye közötti szög 30°. Ezért:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Most egy 16 W/m 2 intenzitású fénysugár lineáris polarizációja ugyanarra a polarizátorpárra esik. A beeső fény polarizációs iránya 20o a függőlegeshez képest.
Az első és második polarizátorból kilépő fény intenzitása. Az egyes polarizátorokon áthaladva az intenzitás 3/4-szeresére csökken. Az első polarizátor elhagyása utánaz intenzitás 163/4 =12 W/m2 és 123/4 =9 W/m2-re csökken a második áthaladása után.
A malúz törvény szerinti polarizáció azt mondja, hogy a fény egyik polarizációs irányából a másikba való átfordításához több polarizátor használata csökkenti az intenzitásveszteséget.
Tegyük fel, hogy el kell forgatnia a polarizáció irányát 90 fokkalo.
| N, polarizátorok száma | Szög az egymást követő polarizátorok között | 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 |
A Brewster tükrözési szög kiszámítása
Amikor a fény egy felületre ér, a fény egy része visszaverődik, egy része pedig áthatol (megtörik). Ennek a visszaverődésnek és fénytörésnek a relatív mértéke függ a fényen áthaladó anyagoktól, valamint attól, hogy a fény milyen szögben éri a felületet. Az anyagoktól függően van egy optimális szög, amely lehetővé teszi, hogy a fény a lehető legnagyobb mértékben megtörjön (áthatoljon). Ezt az optimális szöget David Brewster skót fizikus szögeként ismerik.
Számítsa ki a szögetA közönséges polarizált fehér fényhez használt Brewster a következő képlettel készül:
theta=arctán (n1 / n2), ahol a théta a Brewster-szög, az n1 és n2 pedig a két közeg törésmutatója.
Az üvegen keresztüli maximális fényáthatolás legjobb szögének kiszámításához - a törésmutató táblázatból azt találjuk, hogy a levegő törésmutatója 1,00, az üveg törésmutatója pedig 1,50.
A Brewster-szög arctán (1,50 / 1,00)=arctán (1,50)=56 fok (körülbelül) lenne.
A legjobb fényszög kiszámítása a maximális vízbehatolás érdekében. A törésmutatók táblázatából az következik, hogy a levegő törésmutatója 1,00, a víz törésmutatója 1,33.
A Brewster-szög arctán (1,33 / 1,00)=arctán (1,33)=53 fok (körülbelül) lenne.
Polarizált fény használata
Egy egyszerű laikus el sem tudja képzelni, milyen intenzíven használják a polarizátorokat a világon. A Malus-törvény fényének polarizáltsága mindenhol körülvesz bennünket. Például az olyan népszerű dolgok, mint a Polaroid napszemüvegek, valamint a speciális polarizáló szűrők használata a fényképezőgép lencséihez. Különféle tudományos műszerek lézerek vagy polarizáló izzólámpák és fluoreszkáló források által kibocsátott polarizált fényt használnak.
A polarizátorokat időnként szoba- és színpadvilágításban alkalmazzák, hogy csökkentsék a tükröződést és egyenletesebb megvilágítást biztosítsanak, valamint szemüvegként, hogy látható mélységérzetet adjanak a 3D filmeknek. Akár keresztezett polarizátorok isűrruhákban használják, hogy drasztikusan csökkentsék az alvás közben az űrhajósok szemébe jutó fény mennyiségét.
Az optika titkai a természetben
Miért kék ég, vörös naplemente és fehér felhők? Ezeket a kérdéseket mindenki gyermekkora óta ismeri. Malus és Brewster törvényei magyarázatot adnak ezekre a természetes hatásokra. A napnak köszönhetően igazán színes az égboltunk. Ragyogó fehér fényében a szivárvány összes színe be van ágyazva: piros, narancs, sárga, zöld, kék, indigó és lila. Bizonyos körülmények között az ember találkozik vagy szivárvánnyal, vagy naplementével, vagy szürke késő estével. A napfény "szóródása" miatt kék az ég. A kék színnek rövidebb a hullámhossza és több energiája van, mint a többi színnek.
Ennek eredményeként a kéket a levegőmolekulák szelektíven elnyelik, majd minden irányban újra felszabadulnak. Más színek kevésbé szétszórtak, ezért általában nem láthatók. A déli nap sárgás színű, miután felszívta kék színét. Napkeltekor vagy napnyugtakor a napfény kis szögben jut be, és nagy vastagságú légkörön kell áthaladnia. Ennek eredményeként a kék szín alaposan szétszóródik, így a legtöbbet teljesen felszívja a levegő, elveszik és szétszórja a többi színt, különösen a narancsot és a vöröset, így csodálatos színhorizont jön létre.
A napfény színei is felelősek minden olyan árnyalatért, amelyet szeretünk a Földön, legyen szó fűzöldről vagy türkiz óceánról. Az egyes objektumok felülete kiválasztja azokat a színeket, amelyeket tükrözni fogmegkülönböztetni magát. A felhők gyakran ragyogó fehérek, mert bármilyen színű kiváló reflektorok vagy diffúzorok. Az összes visszaadott szín a semleges fehérhez hozzáadódik. Egyes anyagok egyenletesen tükrözik az összes színt, például a tej, a kréta és a cukor.
A polarizációs érzékenység jelentősége a csillagászatban
Sokáig figyelmen kívül hagyták a Malus-törvény tanulmányozását, a polarizáció hatását a csillagászatban. A Starlight szinte teljesen polarizálatlan, és szabványként használható. A polarizált fény jelenléte a csillagászatban megmondhatja, hogyan jött létre a fény. Egyes szupernóvákban a kibocsátott fény nem polarizálatlan. Attól függően, hogy a csillag melyik részét nézi, eltérő polarizáció látható.
A köd különböző régióiból származó fény polarizációjával kapcsolatos információk támpontokat adhatnak a kutatóknak az árnyékolt csillag elhelyezkedéséhez.
Más esetekben a polarizált fény jelenléte információkat tárhat fel a láthatatlan galaxis egészéről. A polarizációra érzékeny mérések másik felhasználási módja a csillagászatban a mágneses mezők jelenlétének kimutatása. A Nap koronájából kiáramló nagyon specifikus színek körkörös polarizációjának tanulmányozásával a tudósok információkat tártak fel a mágneses mező erősségéről ezeken a helyeken.
Optikai mikroszkópia
A polarizált fénymikroszkóp a rajta keresztül látható minták megfigyelésére és fényképezésére szolgál.optikailag anizotróp természetük. Az anizotróp anyagok optikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek a rajtuk áthaladó fény terjedési irányával változnak. A feladat elvégzéséhez a mikroszkópot fel kell szerelni egy polarizátorral, amely valahol a minta előtt van elhelyezve a fénypályában, és egy analizátorral (második polarizátor), amelyet az objektív hátsó apertúrája és a nézőcsövek vagy a kameraport közötti optikai úton kell elhelyezni..
Polarizáció alkalmazása a biomedicinában
Ez a manapság népszerű irányzat azon alapul, hogy szervezetünkben sok olyan vegyület található, amelyek optikailag aktívak, vagyis el tudják forgatni a rajtuk áthaladó fény polarizációját. Különféle optikailag aktív vegyületek különböző mértékben és különböző irányban tudják elforgatni a fény polarizációját.
Egyes optikailag aktív vegyi anyagok nagyobb koncentrációban vannak jelen a szembetegség korai szakaszában. Az orvosok potenciálisan felhasználhatják ezt a tudást a jövőben a szembetegségek diagnosztizálására. Elképzelhető, hogy az orvos polarizált fényforrást sugároz a páciens szemébe, és megméri a retináról visszaverődő fény polarizációját. Nem invazív módszerként használják a szembetegségek tesztelésére.
A modernitás ajándéka - LCD képernyő
Ha alaposan megnézi az LCD-képernyőt, észre fogja venni, hogy a kép egy rácsba rendezett, színes négyzetek nagy sora. Bennük Malus törvényének alkalmazását találták,annak a folyamatnak a fizikája, amely megteremtette azokat a feltételeket, amikor minden négyzetnek vagy pixelnek saját színe van. Ez a szín a vörös, zöld és kék fény kombinációja minden intenzitásban. Ezek az elsődleges színek bármilyen színt képesek reprodukálni, amelyet az emberi szem lát, mert a szemünk háromszínű.
Más szóval közelítik a fény meghatározott hullámhosszait a három színcsatorna mindegyikének intenzitásának elemzésével.
A kijelzők ezt a hiányosságot úgy használják ki, hogy csak három olyan hullámhosszt jelenítenek meg, amelyek szelektíven célozzák meg az egyes receptortípusokat. A folyadékkristályos fázis az alapállapotban létezik, amelyben a molekulák rétegesen orientálódnak, és minden következő réteg enyhén elcsavarodik, hogy spirális mintát képezzen.
7 szegmenses LCD kijelző:
- Pozitív elektróda.
- Negatív elektróda.
- Polarizer 2.
- Kijelző.
- Polarizer 1.
- Folyadékkristály.
Itt az LCD két üveglap között van, amelyek elektródákkal vannak ellátva. Átlátszó kémiai vegyületek LCD-jei "csavart molekulákkal", úgynevezett folyadékkristályokkal. Az optikai aktivitás jelensége egyes vegyi anyagokban a polarizált fény síkját elforgató képességének köszönhető.
Stereopsis 3D filmek
A polarizáció lehetővé teszi az emberi agy számára, hogy a két kép közötti különbségek elemzésével meghamisítsa a 3D-t. Az ember nem lát 3D-ben, a szemünk csak 2D-ben lát. Képek. Agyunk azonban képes érzékelni, hogy milyen távol vannak a tárgyak, ha elemezzük az egyes szemek által látott különbségeket. Ez a folyamat Stereopsis néven ismert.
Mivel agyunk csak pszeudo-3D-t lát, a filmesek ezt a folyamatot felhasználhatják a három dimenzió illúziójának megteremtésére anélkül, hogy hologramokat kellene igénybe venniük. Minden 3D-s film úgy működik, hogy két fényképet készít, egyet mindkét szem számára. Az 1950-es évekre a polarizáció vált a képleválasztás domináns módszerévé. A mozikban kezdett két kivetítő futni egyidejűleg, lineáris polarizátorral mindegyik lencsén.
A 3D-s filmek jelenlegi generációja esetében a technológia áttért a körkörös polarizációra, amely megoldja a tájolási problémát. Ezt a technológiát jelenleg a RealD gyártja, és a 3D piac 90%-át teszi ki. A RealD kiadott egy körkörös szűrőt, amely nagyon gyorsan vált az óramutató járásával megegyező és az óramutató járásával ellentétes polarizáció között, így csak egy projektort használnak kettő helyett.
