On vaikea erottaa, kuka löysi ensimmäisenä polarisoidun valon. Muinaiset ihmiset saattoivat havaita omituisen paikan katsomalla taivaalle tiettyihin suuntiin. Polarisaatiolla on monia omituisia piirteitä, se ilmenee eri elämänalueilla, ja nykyään se on massatutkimuksen ja -sovelluksen aiheena, syynä kaikkeen on Maluksen laki.
Polarisoidun valon löytö
Vikingit ovat saattaneet käyttää taivaan polarisaatiota navigoimiseen. Vaikka he eivät löytäneetkään, he ehdottomasti löysivät Islannin ja upean kalsiittikiven. Islantilainen spar (kalsiitti) tunnettiin jo heidän aikanaan, Islannin asukkaille hän on nimensä velkaa. Mineraalia käytettiin kerran navigoinnissa sen ainutlaatuisten optisten ominaisuuksien vuoksi. Sillä oli tärkeä rooli nykyaikaisessa polarisaation löydössä ja se on edelleen valittu materiaali valon polarisaatiokomponenttien erottamiseen.
Vuonna 1669 tanskalainen matemaatikko Kööpenhaminan yliopistosta Erasmus Bartholinus ei vain nähnyt kaksinkertaista valoa, vaan myös suoritti joitain kokeita ja kirjoitti 60-sivuisen muistelman. Tämä onoli ensimmäinen tieteellinen kuvaus polarisaatiovaikutuksesta, ja kirjoittajaa voidaan pitää tämän hämmästyttävän valon ominaisuuden löytäjänä.
Christian Huygens kehitti valon pulssia altoteorian, jonka hän julkaisi vuonna 1690 kuuluisassa kirjassaan Traite de la Lumiere. Samaan aikaan Isaac Newton kehitti valonkorpuskulaarista teoriaa kirjassaan Opticks (1704). Lopulta molemmat olivat oikein ja väärin, koska valolla on kaksoisluonne (a alto ja hiukkanen). Silti Huygens oli lähempänä prosessin nykyaikaista ymmärrystä.
Vuonna 1801 Thomas Young teki kuuluisan kaksoisrakohäiriökokeen. Osoitettu, että valo käyttäytyy kuin aallot, ja a altojen superpositio voi johtaa pimeyteen (tuhoava häiriö). Hän käytti teoriaansa selittääkseen asioita, kuten Newtonin renkaat ja yliluonnolliset sateenkaaren kaaret. Tieteen läpimurto tapahtui muutamaa vuotta myöhemmin, kun Jung osoitti, että polarisaatio johtuu valon poikittaisa altoluonteesta.
Nuori Etienne Louis Malus eli myrskyisällä aikakaudella – Ranskan vallankumouksen ja terrorivallan aikana. Hän osallistui Napoleonin armeijan kanssa Egyptiin sekä Palestiinaan ja Syyriaan, missä hän sai ruton, joka tappoi hänet muutama vuosi myöhemmin. Mutta hän onnistui antamaan tärkeän panoksen polarisaation ymmärtämiseen. Maluksen laista, joka ennusti polarisaattorin läpi kulkevan valon voimakkuutta, on tullut yksi suosituimmista 2000-luvulla nestekidenäyttöjä luotaessa.
Sir David Brewster, tunnettu tiedekirjailija, opiskeli optisen fysiikan aineita, kuten dikroismia ja spektrejäabsorptio, sekä suosituimmat aiheet, kuten stereokuvaus. Brewsterin kuuluisa lause tunnetaan: "Kaikki on läpinäkyvää paitsi lasi".
Hän teki myös korvaamattoman panoksen valon tutkimukseen:
- Laki, joka kuvaa "polarisaatiokulmaa".
- Kaleidoskoopin keksintö.
Brewster toisti Maluksen kokeet monille jalokiville ja muille materiaaleille, havaitessaan poikkeaman lasista ja löysi lain - "Brewsterin kulman". Hänen mukaansa "…kun säde on polarisoitunut, heijastunut säde muodostaa suoran kulman taittuneen säteen kanssa."
Malusin polarisaatiolaki
Ennen kuin puhumme polarisaatiosta, meidän on ensin muistettava valo. Valo on a alto, vaikka joskus se on hiukkanen. Mutta joka tapauksessa polarisaatiolla on järkeä, jos ajattelemme valoa a altona, viivana, kun se kulkee lampusta silmiin. Suurin osa valosta on sekoitettua sekalaista valoa altoja, jotka värähtelevät kaikkiin suuntiin. Tätä värähtelysuuntaa kutsutaan valon polarisaatioksi. Polarisaattori on laite, joka puhdistaa tämän sotkun. Se hyväksyy kaiken, mikä sekoittaa valoa ja päästää läpi vain valoa, joka värähtelee yhteen tiettyyn suuntaan.
Malusin lain muoto on: kun analysaattorin päälle putoaa täysin tasainen polarisoitu valo, analysaattorin lähettämän valon intensiteetti on suoraan verrannollinen analysaattorin siirtoakselien ja välitysakselien välisen kulman kosinin neliöön. polarisaattori.
Poikittainen sähkömagneettinen a alto sisältää sekä sähkö- että magneettikentän, ja valoaallon sähkökenttä on kohtisuorassa valoaallon etenemissuuntaan nähden. Valon värähtelyn suunta on sähkövektori E.
Tavallisen polaroimattoman säteen tapauksessa sähkövektori muuttaa suuntaa satunnaisesti, kun valo kulkee polaroidin läpi, jolloin tuloksena oleva valo on tasopolarisoitunut ja sen sähkövektori värähtelee tiettyyn suuntaan. Esiin tulevan säteen vektorin suunta riippuu polaroidin suunnasta, ja polarisaatiotaso on suunniteltu tasoksi, joka sisältää E-vektorin ja valonsäteen.
Alla oleva kuva näyttää tasaisen polarisoidun valon pystyvektorin EI ja vaakasuuntaisen vektorin EII vuoksi.
Polaroitumaton valo kulkee polaroidin P 1 läpi ja sitten polaroidin P 2 läpi muodostaen kulman θ y-akselien kanssa. Kun x-suunnassa etenevä valo kulkee polaroidin P 1 läpi, polarisoituun valoon liittyvä sähkövektori värähtelee vain y-akselia pitkin.
Jos annamme tämän polarisoidun säteen kulkea uudelleen polarisoidun P 2:n läpi ja muodostaen kulman θ y-akselin kanssa, niin jos E 0 on P 2:lla tulevan sähkökentän amplitudi, niin P 2:sta lähtevä a alto on yhtä suuri kuin E 0 cosθ ja siksi esiin tulevan säteen intensiteetti on Malus-lain (kaava) mukainen I=I 0 cos 2 θ
jossa I 0 on P 2:sta tulevan säteen intensiteetti, kun θ=0θ on analysaattorin ja polarisaattorin siirtotasojen välinen kulma.
Valonvoimakkuuden laskentaesimerkki
Malusin laki: I 1=I o cos 2 (q);
jossa q on valon polarisaatiosuunnan ja polarisaattorin läpäisyakselin välinen kulma.
Polarisoimaton valo, jonka intensiteetti on I o=16 W/m 2, osuu polarisaattoriparille. Ensimmäisessä polarisaattorissa on lähetysakseli, joka on kohdistettu 50°:n etäisyydelle pystysuorasta. Toisen polarisaattorin lähetysakseli on kohdistettu 20o:n etäisyydelle pystysuorasta.
Malusin lain testi voidaan tehdä laskemalla kuinka voimakas valo on, kun se tulee esiin ensimmäisestä polarisaattorista:
4 W/m 2
16 maksaa 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Valo ei ole polarisoitunut, joten I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Toisen polarisaattorin valon intensiteetti:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Seuraa Malus-lakia, jonka muotoilu vahvistaa, että kun valo lähtee ensimmäisestä polarisaattorista, se polarisoituu lineaarisesti 50°:ssa. Kulma tämän ja toisen polarisaattorin siirtoakselin välillä on 30°. Siksi:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Nyt valonsäteen lineaarinen polarisaatio, jonka intensiteetti on 16 W/m 2, osuu samaan polarisaattoripariin. Tulevan valon polarisaatiosuunta on 20o pystysuorasta.
Ensimmäisestä ja toisesta polarisaattorista tulevan valon intensiteetti. Kunkin polarisaattorin läpi kulkeva intensiteetti pienenee kertoimella 3/4. Ensimmäisestä polarisaattorista poistumisen jälkeenintensiteetti on 163/4 =12 W/m2 ja laskee arvoon 123/4 =9 W/m2 toisen ohituksen jälkeen.
Malusian lain polarisaatio sanoo, että valon kääntämiseksi yhdestä polarisaatiosuunnasta toiseen intensiteettihäviö vähenee käyttämällä enemmän polarisaattoreita.
Oletetaan, että sinun on käännettävä polarisaation suuntaa 90o.
| N, polarisaattorien määrä | Peräkkäisten polarisaattorien välinen kulma | I 1 / minä 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 |
Brewsterin heijastuskulman laskeminen
Kun valo osuu pintaan, osa valosta heijastuu ja osa tunkeutuu (taittuu). Tämän heijastuksen ja taittumisen suhteellinen määrä riippuu valon läpi kulkevista aineista sekä kulmasta, jossa valo osuu pintaan. Aineista riippuen on olemassa optimaalinen kulma, joka mahdollistaa valon taittumisen (tunkeutumisen) mahdollisimman paljon. Tämä optimaalinen kulma tunnetaan skotlantilaisen fyysikon David Brewsterin kulmana.
Laske kulmaBrewster tavalliselle polarisoidulle valkoiselle valolle tuotetaan kaavalla:
theta=arctan (n1 / n2), jossa theta on Brewsterin kulma ja n1 ja n2 ovat näiden kahden median taitekertoimia.
Parhaan kulman laskemiseksi valon suurimmalle tunkeutumiselle lasin läpi - taitekerrointaulukosta huomaamme, että ilman taitekerroin on 1,00 ja lasin taitekerroin on 1,50.
Brewsterin kulma olisi arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 astetta (noin).
Parhaan valokulman laskeminen maksimaalisen veden tunkeutumisen saavuttamiseksi. Taitekerrointaulukosta seuraa, että ilman taitekerroin on 1,00 ja veden taitekerroin 1,33.
Brewsterin kulma olisi arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 astetta (noin).
Polarisoidun valon käyttö
Yksinkertainen maallikko ei voi edes kuvitella, kuinka intensiivisesti polarisaattoreita käytetään maailmassa. Maluksen lain valon polarisaatio ympäröi meitä kaikkialla. Esimerkiksi sellaiset suositut asiat, kuten Polaroid-aurinkolasit, sekä erityisten polarisaatiosuodattimien käyttö kameran linsseissä. Useat tieteelliset instrumentit käyttävät lasereiden tai polarisoivien hehkulamppujen ja loisteputkien lähettämää polarisoitua valoa.
Polarisaattoreita käytetään joskus huone- ja näyttämövalaistuksessa häikäisyn vähentämiseksi ja tasaisemman valaistuksen aikaansaamiseksi sekä laseina, jotka antavat 3D-elokuville näkyvän syvyyden tunteen. Ristikkäiset polarisaattorit jopakäytetään avaruuspuvuissa vähentämään rajusti valon määrää, joka pääsee astronautin silmiin nukkuessaan.
Optiikan salaisuudet luonnossa
Miksi sininen taivas, punainen auringonlasku ja valkoiset pilvet? Nämä kysymykset ovat tiedossa kaikille lapsuudesta lähtien. Maluksen ja Brewsterin lait tarjoavat selityksiä näille luonnollisille vaikutuksille. Taivaamme on auringon ansiosta todella värikäs. Sen kirkkaan valkoisen valon sisällä on kaikki sateenkaaren värit: punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo ja violetti. Tietyissä olosuhteissa ihminen kohtaa joko sateenkaaren tai auringonlaskun tai harmaan myöhään illan. Taivas on sininen auringonvalon "sironnan" takia. Sinisellä värillä on lyhyempi aallonpituus ja enemmän energiaa kuin muilla väreillä.
Tämän seurauksena ilmamolekyylit absorboivat sinistä selektiivisesti ja vapautuvat sitten uudelleen kaikkiin suuntiin. Muut värit ovat vähemmän hajallaan eivätkä siksi yleensä näy. Keskipäivän aurinko on keltainen absorboituaan sinisen värinsä. Auringonnousun tai auringonlaskun aikaan auringonvalo tulee sisään pienessä kulmassa ja sen on läpäistävä suuri paksuus ilmakehää. Tämän seurauksena sininen väri hajaantuu perusteellisesti, niin että suurin osa siitä imeytyy täysin ilmaan, katoaa ja hajottaa muita värejä, erityisesti oransseja ja punaisia, luoden upean värihorisontin.
Auringonvalon värit ovat myös vastuussa kaikista värisävyistä, joita rakastamme maan päällä, olipa kyseessä ruohonvihreä tai turkoosi v altameri. Kunkin kohteen pinta valitsee tietyt värit, joita se heijastaaerottaa itsesi. Pilvet ovat usein loistavan valkoisia, koska ne ovat erinomaisia heijastimia tai diffuusoreita minkä tahansa värisenä. Kaikki palautetut värit yhdistetään neutraaliksi valkoiseksi. Jotkut materiaalit, kuten maito, liitu ja sokeri, heijastavat tasaisesti kaikkia värejä.
Polarisaatioherkkyyden merkitys tähtitieteessä
Pitkän aikaa Maluksen lain, polarisaation vaikutuksen tähtitieteessä, tutkiminen jätettiin huomiotta. Starlight on lähes täysin polaroimaton ja sitä voidaan käyttää vakiona. Polarisoidun valon esiintyminen tähtitieteessä voi kertoa meille, kuinka valo syntyi. Joissakin supernoveissa säteilevä valo ei ole polarisoimatonta. Tarkasteltavasta tähdestä riippuen voidaan nähdä erilainen polarisaatio.
Tämä tieto sumun eri alueiden valon polarisaatiosta voisi antaa tutkijoille vihjeitä varjostetun tähden sijainnista.
Muissa tapauksissa polarisoidun valon läsnäolo voi paljastaa tietoa koko näkymätön galaksin osasta. Toinen polarisaatioherkkien mittausten käyttö tähtitieteessä on magneettikenttien havaitseminen. Tutkimalla auringon koronasta tulevan valon hyvin spesifisten värien ympyräpolarisaatiota, tiedemiehet ovat saaneet tietoa magneettikentän voimakkuudesta näissä paikoissa.
Optinen mikroskopia
Polarisoidun valon mikroskooppi on suunniteltu tarkkailemaan ja valokuvaamaan näytteitä, jotka näkyvät läpiniiden optisesti anisotrooppinen luonne. Anisotrooppisilla materiaaleilla on optisia ominaisuuksia, jotka muuttuvat niiden läpi kulkevan valon etenemissuunnan mukaan. Tämän tehtävän suorittamiseksi mikroskoopissa on oltava sekä polarisaattori, joka on sijoitettu valopolkuun jonnekin näytteen eteen, että analysaattori (toinen polarisaattori), joka on sijoitettu optiselle tielle objektiivin taka-aukon ja katseluputkien tai kameraportin väliin..
Polarisaation soveltaminen biolääketieteessä
Tämä suosittu trendi nykyään perustuu siihen, että kehossamme on monia yhdisteitä, jotka ovat optisesti aktiivisia, eli ne voivat kiertää niiden läpi kulkevan valon polarisaatiota. Erilaiset optisesti aktiiviset yhdisteet voivat kääntää valon polarisaatiota eri määrinä ja eri suuntiin.
Joitakin optisesti aktiivisia kemikaaleja on läsnä suurempina pitoisuuksina silmäsairauksien alkuvaiheessa. Lääkärit voisivat mahdollisesti käyttää tätä tietoa silmäsairauksien diagnosoinnissa tulevaisuudessa. Voidaan kuvitella, että lääkäri loistaa polarisoidun valonlähteen potilaan silmään ja mittaa verkkokalvolta heijastuneen valon polarisaation. Käytetään ei-invasiivisena menetelmänä silmäsairauksien testaamiseen.
Modernisuuden lahja - LCD-näyttö
Jos katsot tarkasti LCD-näyttöä, huomaat, että kuva on suuri joukko värillisiä neliöitä, jotka on järjestetty ruudukkoon. He löysivät Maluksen lain soveltamisen,prosessin fysiikka, joka loi olosuhteet, jolloin jokaisella neliöllä tai pikselillä on oma värinsä. Tämä väri on yhdistelmä punaista, vihreää ja sinistä valoa kullakin voimakkuudella. Nämä päävärit voivat toistaa minkä tahansa värin, jonka ihmissilmä näkee, koska silmämme ovat kolmivärisiä.
Toisin sanoen ne arvioivat tiettyjä valon aallonpituuksia analysoimalla kunkin kolmen värikanavan intensiteettiä.
Näytöt hyödyntävät tätä puutetta näyttämällä vain kolme aallonpituutta, jotka kohdistavat valikoivasti kuhunkin reseptorityyppiin. Nestekidefaasi on olemassa perustilassa, jossa molekyylit ovat suuntautuneet kerroksittain ja jokainen seuraava kerros kiertyy hieman muodostaen kierteisen kuvion.
7-segmenttinen LCD-näyttö:
- Positiivinen elektrodi.
- Negatiivinen elektrodi.
- Polarizer 2.
- Näyttö.
- Polarizer 1.
- Nestekide.
Tässä LCD-näyttö on kahden lasilevyn välissä, jotka on varustettu elektrodeilla. LCD-näytöt läpinäkyvistä kemiallisista yhdisteistä, joissa on "kierrettyjä molekyylejä", joita kutsutaan nestekiteiksi. Joidenkin kemikaalien optisen aktiivisuuden ilmiö johtuu niiden kyvystä kiertää polarisoidun valon tasoa.
Stereopsis 3D -elokuvat
Polarisaation avulla ihmisaivot voivat väärentää 3D:tä analysoimalla kahden kuvan välisiä eroja. Ihminen ei näe 3D:ssä, silmämme näkevät vain 2D:ssä.kuvat. Aivomme voivat kuitenkin ymmärtää, kuinka kaukana esineet ovat, analysoimalla eroja siinä, mitä kukin silmä näkee. Tämä prosessi tunnetaan nimellä Stereopsis.
Koska aivomme näkevät vain pseudo3D:tä, elokuvantekijät voivat käyttää tätä prosessia luodakseen illuusion kolmesta ulottuvuudesta turvautumatta hologrammeihin. Kaikki 3D-elokuvat toimivat toimittamalla kaksi valokuvaa, yksi kummallekin silmälle. 1950-luvulle mennessä polarisaatiosta oli tullut hallitseva kuvan erottelumenetelmä. Teattereissa alkoi olla kaksi projektoria käynnissä samanaikaisesti, lineaarinen polarisaattori jokaisen linssin päällä.
Nykyisen sukupolven 3D-elokuvissa tekniikka on siirtynyt ympyräpolarisaatioon, joka hoitaa suuntautumisongelman. Tätä tekniikkaa valmistaa tällä hetkellä RealD, ja sen osuus 3D-markkinoista on 90 %. RealD julkaisi pyöreän suodattimen, joka vaihtaa myötä- ja vastapäivään polarisaation välillä hyvin nopeasti, joten käytössä on vain yksi projektori kahden sijaan.
