Raske on välja tuua, kes avastas esimesena polariseeritud valguse. Muistsed inimesed võisid teatud suundades taevasse vaadates omapärast kohta märgata. Polarisatsioonil on palju veidrusi, see avaldub erinevates eluvaldkondades ning tänapäeval on seda massiliselt uuritud ja rakendatud, kõige põhjuseks on Maluse seadus.
Polariseeritud valguse avastamine
Viikingid võisid navigeerimiseks kasutada taeva polarisatsiooni. Isegi kui nad seda ei teinud, leidsid nad kindlasti Islandi ja imelise k altsiitkivi. Islandi sparn (k altsiit) oli tuntud juba nende ajal, just Islandi elanikele võlgneb ta oma nime. Kunagi kasutati mineraali oma ainulaadsete optiliste omaduste tõttu navigatsioonis. See mängis olulist rolli polarisatsiooni kaasaegses avastamises ja on jätkuv alt valitud materjal valguse polarisatsioonikomponentide eraldamisel.
Aastal 1669 nägi Taani matemaatik Kopenhaageni ülikoolist Erasmus Bartholinus mitte ainult topeltvalgust, vaid viis läbi ka mõned katsed, kirjutades 60-leheküljelise memuaari. See onoli polarisatsiooniefekti esimene teaduslik kirjeldus ja autorit võib pidada selle hämmastava valguse omaduse avastajaks.
Christian Huygens töötas välja valguse impulsslainete teooria, mille ta avaldas 1690. aastal oma kuulsas raamatus Traite de la Lumiere. Samal ajal arendas Isaac Newton oma raamatus Opticks (1704) valguse korpuskulaarset teooriat. Lõpuks olid mõlemad õiged ja valed, kuna valgusel on kahesugune olemus (laine ja osake). Kuid Huygens oli protsessi kaasaegsele arusaamisele lähemal.
Aastal 1801 tegi Thomas Young kuulsa topeltpiluga interferentsi eksperimendi. Tõestatud, et valgus käitub nagu lained ja lainete superpositsioon võib viia pimeduseni (hävitav interferents). Ta kasutas oma teooriat selliste asjade selgitamiseks nagu Newtoni rõngad ja üleloomulikud vikerkaarekaared. Läbimurre teaduses toimus paar aastat hiljem, kui Jung näitas, et polarisatsioon on tingitud valguse põiklainelisest olemusest.
Noor Etienne Louis Malus elas tormilisel ajastul – Prantsuse revolutsiooni ja hirmuvalitsuse ajal. Ta osales koos Napoleoni armeega sissetungil Egiptusesse, aga ka Palestiinasse ja Süüriasse, kus nakatus katku, mis ta paar aastat hiljem tappis. Kuid ta suutis anda olulise panuse polarisatsiooni mõistmisse. Maluse seadus, mis ennustas polarisaatori kaudu leviva valguse intensiivsust, on muutunud 21. sajandil vedelkristallekraanide loomisel üheks populaarseimaks.
Sir David Brewster, tuntud teaduskirjanik, õppis optilise füüsika aineid, nagu dikroism ja spektridneeldumine, aga ka populaarsemad teemad nagu stereofotograafia. Tuntud on Brewsteri kuulus lause: "Kõik on läbipaistev, välja arvatud klaas".
Ta andis hindamatu panuse ka valguse uurimisse:
- Polarisatsiooninurka kirjeldav seadus.
- Kaleidoskoobi leiutamine.
Brewster kordas Maluse katseid paljude kalliskivide ja muude materjalidega, avastades klaasis anomaalia ning avastades seaduse – "Brewsteri nurga". Tema sõnul "…kui kiir on polariseeritud, moodustab peegeldunud kiir murdunud kiirega täisnurga."
Maluse polarisatsiooniseadus
Enne kui räägime polarisatsioonist, peame esm alt meeles pidama valgust. Valgus on laine, kuigi mõnikord on see osake. Kuid igal juhul on polarisatsioon mõttekas, kui käsitleme valgust kui lainet, kui joont, kui see liigub lambist silmadesse. Enamik valgust on valguslainete segatud segadus, mis vibreerivad igas suunas. Seda võnkesuunda nimetatakse valguse polarisatsiooniks. Polarisaator on seade, mis selle segaduse puhastab. See võtab vastu kõike, mis segab valgust, ja laseb läbi ainult valgust, mis võngub ühes kindlas suunas.
Maluse seaduse sõnastus on järgmine: kui analüsaatorile langeb täiesti tasane polariseeritud valgus, on analüsaatori poolt edastatava valguse intensiivsus otseselt võrdeline analüsaatori ülekandetelgede vahelise nurga koosinuse ruuduga. polarisaator.
Riiksuunaline elektromagnetlaine sisaldab nii elektri- kui ka magnetvälja ning valguslaine elektriväli on risti valguslainete levimise suunaga. Valguse vibratsiooni suund on elektrivektor E.
Tavalise polariseerimata kiire puhul muudab elektrivektor oma suunda juhuslikult, kui valgus lastakse läbi polaroidi, tulemuseks on tasapinnaline polarisatsioon, mille elektrivektor vibreerib teatud suunas. Tekkiva kiire vektori suund sõltub polaroidi orientatsioonist ja polarisatsioonitasand on kavandatud tasapinnana, mis sisaldab E-vektorit ja valguskiirt.
Allpool olev joonis näitab vertikaalvektori EI ja horisontaalvektori EII tõttu tasast polariseeritud valgust.
Polariseerimata valgus läbib polaroidi P 1 ja seejärel polaroidi P 2, moodustades nurga θ y-telgedega. Pärast seda, kui x-suunas leviv valgus läbib polaroidi P 1, vibreerib polariseeritud valgusega seotud elektrivektor ainult piki y-telge.
Kui nüüd lasta sellel polariseeritud kiirel uuesti läbida polariseeritud P 2, moodustades y-teljega nurga θ, siis kui E 0 on P 2 langeva elektrivälja amplituud, siis P 2-st väljuv laine on võrdne E 0 cosθ ja seetõttu on tekkiva kiire intensiivsus vastav alt Maluse seadusele (valem) I=I 0 cos 2 θ
kus I 0 on P 2-st väljuva kiire intensiivsus, kui θ=0θ on nurk analüsaatori ja polarisaatori ülekandetasandite vahel.
Valguse intensiivsuse arvutamise näide
Maluse seadus: I 1=I o cos 2 (q);
kus q on nurk valguse polarisatsiooni suuna ja polarisaatori ülekandetelje vahel.
Polariseerimata valgus intensiivsusega I o=16 W/m 2 langeb polarisaatorite paarile. Esimesel polarisaatoril on ülekandetelg, mis on vertikaalsest 50° kaugusel. Teise polarisaatori ülekandetelg on joondatud vertikaalist 20o kaugusel.
Maluse seaduse testimiseks saab arvutada, kui intensiivne on valgus, kui see väljub esimesest polarisaatorist:
4 W/m 2
16 hind 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Valgus ei ole polariseeritud, seega I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Teise polarisaatori valguse intensiivsus:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Järgneb Maluse seadus, mille sõnastus kinnitab, et kui valgus väljub esimesest polarisaatorist, polariseerub see lineaarselt 50o juures. Nurk selle ja teise polarisaatori ülekandetelje vahel on 30°. Seetõttu:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Nüüd langeb 16 W/m 2 intensiivsusega valgusvihu lineaarne polarisatsioon samale polarisaatorite paarile. Langeva valguse polarisatsioonisuund on vertikaalist 20o.
Esimesest ja teisest polarisaatorist väljuva valguse intensiivsus. Iga polarisaatori läbimisel väheneb intensiivsus 3/4 korda. Pärast esimesest polarisaatorist lahkumistintensiivsus on 163/4 =12 W/m2 ja väheneb pärast teise läbimist väärtuseni 123/4 =9 W/m2.
Maluusia seaduste polarisatsioon ütleb, et valguse pööramiseks ühest polarisatsioonisuunast teise vähendatakse intensiivsuse kadu, kui kasutada rohkem polarisaatoreid.
Oletame, et peate polarisatsiooni suunda 90 võrra pööramao.
| N, polarisaatorite arv | Järgmiste polarisaatorite vaheline nurk | 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 |
Brewsteri peegeldusnurga arvutamine
Kui valgus tabab pinda, peegeldub osa valgusest ja osa läbib (murdub). Selle peegelduse ja murdumise suhteline suurus sõltub valgust läbivatest ainetest, samuti valguse pinda tabava nurga alt. Olenev alt ainetest on olemas optimaalne nurk, mis võimaldab valgusel võimalikult palju murduda (läbistada). Seda optimaalset nurka tuntakse Šoti füüsiku David Brewsteri nurgana.
Arvutage nurkTavalise polariseeritud valge valguse jaoks mõeldud Brewster toodetakse järgmise valemiga:
teeta=arctan (n1 / n2), kus teeta on Brewsteri nurk ning n1 ja n2 on kahe kandja murdumisnäitajad.
Parima nurga arvutamiseks valguse maksimaalseks läbitungimiseks läbi klaasi – murdumisnäitaja tabelist leiame, et õhu murdumisnäitaja on 1,00 ja klaasi murdumisnäitaja on 1,50.
Brewsteri nurk oleks arktaan (1,50 / 1,00)=arctaan (1,50)=56 kraadi (ligikaudne).
Parima valguse nurga arvutamine vee maksimaalseks läbitungimiseks. Murdumisnäitajate tabelist järeldub, et õhu murdumisnäitaja on 1,00 ja vee murdumisnäitaja on 1,33.
Brewsteri nurk oleks arktaan (1,33 / 1,00)=arctaan (1,33)=53 kraadi (ligikaudne).
Polariseeritud valguse kasutamine
Lihtne võhik ei suuda isegi ette kujutada, kui intensiivselt maailmas polarisaatoreid kasutatakse. Maluse seaduse valguse polariseerumine ümbritseb meid kõikjal. Näiteks sellised populaarsed asjad nagu Polaroid päikeseprillid, samuti spetsiaalsete polariseerivate filtrite kasutamine kaamera objektiivide jaoks. Erinevad teaduslikud instrumendid kasutavad laserite või polariseerivate hõõglampide ja fluorestsentsallikate kiirgavat polariseeritud valgust.
Polarisaatoreid kasutatakse mõnikord ruumi- ja lavavalgustuses pimestamise vähendamiseks ja ühtlasema valgustuse tagamiseks ning klaasidena, et anda 3D-filmidele nähtav sügavustunne. Ristitud polarisaatorid isegikasutatakse kosmoseülikondades, et vähendada drastiliselt astronaudi magamise ajal silma sattuva valguse hulka.
Optika saladused looduses
Miks sinine taevas, punane päikeseloojang ja valged pilved? Need küsimused on kõigile teada lapsepõlvest saati. Maluse ja Brewsteri seadused selgitavad neid looduslikke mõjusid. Meie taevas on tänu päikesele tõeliselt värviline. Selle eredas valges valguses on kõik vikerkaarevärvid: punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo ja violetne. Teatud tingimustel kohtub inimene kas vikerkaarega või päikeseloojanguga või halli hilisõhtuga. Taevas on sinine päikesevalguse "hajutamise" tõttu. Sinisel värvil on lühem lainepikkus ja rohkem energiat kui teistel värvidel.
Selle tulemusel neeldub sinine õhumolekulid selektiivselt ja vabaneb seejärel uuesti igas suunas. Teised värvid on vähem hajutatud ja seetõttu pole need tavaliselt nähtavad. Lõunapäike on pärast sinise värvi neelamist kollane. Päikesetõusul või -loojangul siseneb päikesevalgus väikese nurga all ja peab läbima suure paksuse atmosfääri. Selle tulemusena on sinine värv põhjalikult hajutatud, nii et suurem osa sellest imendub täielikult õhku, kaob ja hajutab teisi värve, eriti oranže ja punaseid, luues uhke värvihorisondi.
Päikesevalguse värvid on vastutavad ka kõigi toonide eest, mida me Maal armastame, olgu see siis rohuroheline või türkiissinine ookean. Iga objekti pind valib konkreetsed värvid, mida see peegeldaberista ennast. Pilved on sageli säravvalged, kuna need on suurepärased mis tahes värvi helkurid või hajutajad. Kõik tagastatud värvid liidetakse kokku neutraalvalgeks. Mõned materjalid, nagu piim, kriit ja suhkur, peegeldavad ühtlaselt kõiki värve.
Polarisatsioonitundlikkuse tähtsus astronoomias
Pikka aega ignoreeriti Maluse seaduse, polarisatsiooni mõju astronoomias uurimist. Starlight on peaaegu täielikult polariseerimata ja seda saab kasutada standardina. Polariseeritud valguse olemasolu astronoomias võib meile öelda, kuidas valgus tekkis. Mõne supernoova puhul ei ole kiiratav valgus polariseerimata. Olenev alt vaadeldavast tähe osast võib näha erinevat polarisatsiooni.
See teave udukogu erinevatest piirkondadest pärit valguse polarisatsiooni kohta võib anda teadlastele vihjeid varjutatud tähe asukoha kohta.
Muudel juhtudel võib polariseeritud valguse olemasolu paljastada teavet kogu nähtamatu galaktika osa kohta. Teine polarisatsioonitundlike mõõtmiste kasutusala astronoomias on magnetvälja olemasolu tuvastamine. Päikese kroonist lähtuvate väga spetsiifiliste värvide valguse ringpolarisatsiooni uurides on teadlased leidnud teavet magnetvälja tugevuse kohta neis kohtades.
Optiline mikroskoopia
Polariseeritud valguse mikroskoop on loodud läbi nähtavate isendite vaatlemiseks ja pildistamiseksnende optiliselt anisotroopne olemus. Anisotroopsetel materjalidel on optilised omadused, mis muutuvad koos neid läbiva valguse levimissuunaga. Selle ülesande täitmiseks peab mikroskoop olema varustatud nii polarisaatoriga, mis on paigutatud valgusteele kuskile proovi ette, kui ka analüsaatoriga (teine polarisaator), mis on paigutatud optilisele teele objektiivi tagumise ava ja vaatlustorude või kaamerapordi vahel..
Polarisatsiooni rakendamine biomeditsiinis
See tänapäeval populaarne trend põhineb asjaolul, et meie kehas on palju ühendeid, mis on optiliselt aktiivsed, st suudavad pöörata ümber neid läbiva valguse polarisatsiooni. Erinevad optiliselt aktiivsed ühendid võivad pöörata valguse polarisatsiooni erinevates kogustes ja erinevates suundades.
Mõned optiliselt aktiivsed kemikaalid esinevad silmahaiguste algstaadiumis suuremates kontsentratsioonides. Arstid võiksid neid teadmisi tulevikus silmahaiguste diagnoosimiseks kasutada. Võib ette kujutada, et arst valgustab patsiendi silma polariseeritud valgusallika ja mõõdab võrkkest alt peegelduva valguse polarisatsiooni. Kasutatakse mitteinvasiivse meetodina silmahaiguste testimisel.
Moodsa kingitus – LCD-ekraan
Kui vaatate LCD-ekraani tähelepanelikult, märkate, et pilt on suur hulk värvilisi ruute, mis on paigutatud ruudustikusse. Nendes leidsid nad Maluse seaduse rakendamist,protsessi füüsika, mis lõi tingimused, mil igal ruudul või pikslil on oma värv. See värv on punase, rohelise ja sinise valguse kombinatsioon iga intensiivsusega. Need põhivärvid võivad reprodutseerida mis tahes värvi, mida inimsilm näeb, kuna meie silmad on kolmevärvilised.
Teisisõnu, nad määravad ligikaudse valguse konkreetse lainepikkuse, analüüsides iga kolme värvikanali intensiivsust.
Ekraanid kasutavad seda puudust ära, kuvades ainult kolme lainepikkust, mis sihivad valikuliselt igat tüüpi retseptorit. Vedelkristallfaas eksisteerib põhiolekus, milles molekulid on orienteeritud kihtidena ja iga järgnev kiht keerdub veidi, moodustades spiraalse mustri.
7-segmendiline LCD-ekraan:
- Positiivne elektrood.
- Negatiivne elektrood.
- Polarizer 2.
- Ekraan.
- Polarizer 1.
- Vedelkristall.
Siin on LCD-ekraan kahe elektroodidega varustatud klaasplaadi vahel. Läbipaistvate keemiliste ühendite LCD-ekraanid "keerdunud molekulidega", mida nimetatakse vedelkristallideks. Mõnede kemikaalide optilise aktiivsuse nähtus on tingitud nende võimest pöörata polariseeritud valguse tasapinda.
Stereopsise 3D-filmid
Polariseerimine võimaldab inimajul võltsida 3D-pilti, analüüsides kahe pildi erinevusi. Inimesed ei näe 3D-s, meie silmad näevad ainult 2D-s. Pildid. Kuid meie aju saab aru saada, kui kaugel objektid on, analüüsides erinevusi selles, mida iga silm näeb. Seda protsessi tuntakse Stereopsisena.
Kuna meie ajud näevad ainult pseudo3D-d, saavad filmitegijad seda protsessi kasutada kolmemõõtmelise illusiooni loomiseks ilma hologramme kasutamata. Kõik 3D-filmid edastavad kaks fotot, üks kummalegi silmale. 1950. aastateks oli polarisatsioonist saanud domineeriv kujutise eraldamise meetod. Teatrites hakkas korraga töötama kaks projektorit, mille mõlema objektiivi kohal oli lineaarne polarisaator.
Praeguse põlvkonna 3D-filmide puhul on tehnoloogia lülitunud ringikujulisele polarisatsioonile, mis lahendab orientatsiooniprobleemi. Seda tehnoloogiat toodab praegu RealD ja see moodustab 90% 3D turust. RealD lasi välja ringikujulise filtri, mis lülitub väga kiiresti päri- ja vastupäeva polarisatsiooni vahel, nii et kahe projektori asemel kasutatakse ainult ühte.
