Težko je izpostaviti, kdo je prvi odkril polarizirano svetlobo. Starodavni ljudje so lahko opazili posebno mesto, če so gledali v nebo v določenih smereh. Polarizacija ima veliko posebnosti, kaže se na različnih področjih življenja, danes pa je predmet množičnega raziskovanja in uporabe, razlog za vse je Malusov zakon.
Odkritje polarizirane svetlobe
Vikingi so morda uporabljali polarizacijo neba za navigacijo. Tudi če ne, so zagotovo našli Islandijo in čudovit kalcitni kamen. Islandski špart (kalcit) je bil znan že v njihovih časih, prav prebivalcem Islandije dolguje svoje ime. Mineral so nekoč uporabljali v navigaciji zaradi svojih edinstvenih optičnih lastnosti. Igral je pomembno vlogo pri sodobnem odkritju polarizacije in je še naprej izbrani material za ločevanje polarizacijskih komponent svetlobe.
Leta 1669 danski matematik z univerze v Københavnu Erasmus Bartholinus ni videl le dvojne luči, ampak je izvedel tudi nekaj poskusov in napisal 60 strani dolge spomine. To jeje bil prvi znanstveni opis polarizacijskega učinka in avtorja lahko štejemo za odkritelja te neverjetne lastnosti svetlobe.
Christian Huygens je razvil teorijo pulznega valovanja svetlobe, ki jo je objavil leta 1690 v svoji slavni knjigi Traite de la Lumiere. Hkrati je Isaac Newton v svoji knjigi Opticks (1704) napredoval korpuskularno teorijo svetlobe. Na koncu sta bila oba prav in narobe, saj ima svetloba dvojno naravo (val in delec). Vendar je bil Huygens bližje sodobnemu razumevanju procesa.
Leta 1801 je Thomas Young naredil znameniti poskus interference z dvojno režo. Dokazano je, da se svetloba obnaša kot valovi, superpozicija valov pa lahko privede do teme (destruktivne interference). Svojo teorijo je uporabil za razlago stvari, kot so Newtonovi prstani in nadnaravni mavrični loki. Preboj v znanosti je prišel nekaj let pozneje, ko je Jung pokazal, da je polarizacija posledica transverzalne valovne narave svetlobe.
Mladi Etienne Louis Malus je živel v burni dobi - med francosko revolucijo in vladavino terorja. Z Napoleonovo vojsko je sodeloval pri invaziji na Egipt, pa tudi na Palestino in Sirijo, kjer je zbolel za kugo, ki ga je nekaj let pozneje ubila. Vendar mu je uspelo pomembno prispevati k razumevanju polarizacije. Malusov zakon, ki je napovedoval intenzivnost svetlobe, ki se prenaša skozi polarizator, je postal eden najbolj priljubljenih v 21. stoletju pri ustvarjanju zaslonov s tekočimi kristali.
Sir David Brewster, priznani znanstveni pisatelj, je študiral predmete optične fizike, kot sta dikroizem in spektriabsorpcijo, pa tudi bolj priljubljene teme, kot je stereo fotografija. Znan je Brewsterjev stavek: "Vse je prozorno razen stekla".
Neprecenljivo je prispeval tudi k preučevanju svetlobe:
- Zakon, ki opisuje "polarizacijski kot".
- Izum kalejdoskopa.
Brewster je ponovil Malusove poskuse za številne dragulje in druge materiale, odkril anomalijo v steklu in odkril zakon - "Brewsterjev kot". Po njegovem mnenju "…ko je žarek polariziran, tvori odbit žarek z lomljenim žarkom pravi kot."
Zakon o polarizaciji Malusa
Preden govorimo o polarizaciji, se moramo najprej spomniti na svetlobo. Svetloba je val, čeprav je včasih delček. A v vsakem primeru je polarizacija smiselna, če si svetlobo predstavljamo kot val, kot črto, ko potuje od svetilke do oči. Večina svetlobe je mešana zmešnjava svetlobnih valov, ki vibrirajo v vse smeri. Ta smer nihanja se imenuje polarizacija svetlobe. Polarizator je naprava, ki počisti to nered. Sprejema vse, kar meša svetlobo in prepušča samo svetlobo, ki niha v eni določeni smeri.
Formulacija Malusovega zakona je: ko na analizator pade popolnoma ravna polarizirana svetloba, je intenzivnost svetlobe, ki jo oddaja analizator, premo sorazmerna s kvadratom kosinusa kota med osi prenosa analizatorja in polarizator.
Prečni elektromagnetni val vsebuje tako električno kot magnetno polje, električno polje v svetlobnem valu pa je pravokotno na smer širjenja svetlobnega vala. Smer svetlobnih vibracij je električni vektor E.
Za navaden nepolariziran žarek električni vektor naključno spreminja svojo smer, ko svetloba prehaja skozi polaroid, nastala svetloba je ravninsko polarizirana, njen električni vektor pa vibrira v določeni smeri. Smer vektorja nastajajočega žarka je odvisna od orientacije polaroida, ravnina polarizacije pa je zasnovana kot ravnina, ki vsebuje E-vektor in svetlobni žarek.
Spodnja slika prikazuje ravno polarizirano svetlobo zaradi navpičnega vektorja EI in vodoravnega vektorja EII.
Nepolarizirana svetloba prehaja skozi polaroid P 1 in nato skozi polaroid P 2 ter tvori kot θ z osjo y. Ko svetloba, ki se širi v smeri x, preide skozi Polaroid P 1, bo električni vektor, povezan s polarizirano svetlobo, vibriral samo vzdolž osi y.
Zdaj, če dovolimo, da ta polarizirani žarek ponovno preide skozi polarizirani P 2 in naredi kot θ z osjo y, potem če je E 0 amplituda vpadnega električnega polja na P 2, potem amplituda val, ki prihaja iz P 2, bo enak E 0 cosθ in zato bo intenzivnost nastajajočega žarka v skladu z Malusovim zakonom (formulo) I=I 0 cos 2 θ
kjer je I 0 intenzivnost žarka, ki izhaja iz P 2, ko je θ=0θ je kot med transmisijskimi ravninama analizatorja in polarizatorja.
Primer izračuna intenzivnosti svetlobe
Malusov zakon: I 1=I o cos 2 (q);
kjer je q kot med smerjo polarizacije svetlobe in osjo prenosa polarizatorja.
Nepolarizirana svetloba z jakostjo I o=16 W/m 2 pade na par polarizatorjev. Prvi polarizator ima prenosno os, ki je poravnana na razdalji 50° od navpičnice. Drugi polarizator ima os prenosa poravnano na razdalji 20o od navpičnice.
Preizkus Malusovega zakona je mogoče izvesti z izračunom, kako intenzivna je svetloba, ko se pojavi iz prvega polarizatorja:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Svetloba ni polarizirana, zato I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intenzivnost svetlobe iz drugega polarizatorja:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Sledi Malusov zakon, katerega formulacija potrjuje, da ko svetloba zapusti prvi polarizator, je linearno polarizirana pri 50o. Kot med tem in prenosno osjo drugega polarizatorja je 30°. Zato:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Zdaj linearna polarizacija žarka svetlobe z intenzivnostjo 16 W/m 2 pade na isti par polarizatorjev. Smer polarizacije vpadne svetlobe je 20o od navpičnice.
Intenzivnost svetlobe, ki izhaja iz prvega in drugega polarizatorja. Pri prehodu skozi vsak polarizator se intenzivnost zmanjša za faktor 3/4. Po odhodu iz prvega polarizatorjaintenzivnost je 163/4 =12 W/m2 in se po prehodu drugega zmanjša na 123/4 =9 W/m2.
Polarizacija po maluzijskem zakonu pravi, da se za preusmeritev svetlobe iz ene smeri polarizacije v drugo izguba intenzivnosti zmanjša z uporabo več polarizatorjev.
Predpostavimo, da morate zasukati smer polarizacije za 90o.
| N, število polarizatorjev | Kot med zaporednimi polarizatorji | 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 |
Izračun Brewsterjevega odbojnega kota
Ko svetloba zadene površino, se del svetlobe odbije, del pa prodre (lomi). Relativna količina tega odboja in loma je odvisna od snovi, ki prehajajo skozi svetlobo, pa tudi od kota, pod katerim svetloba zadene površino. Obstaja optimalen kot, odvisno od snovi, ki omogoča, da se svetloba čim bolj lomi (prodira). Ta optimalni kot je znan kot kot škotskega fizika Davida Brewsterja.
Izračunaj kotBrewster za običajno polarizirano belo svetlobo se proizvaja po formuli:
theta=arktan (n1 / n2), kjer je theta Brewsterjev kot, n1 in n2 pa sta lomna indeksa obeh medijev.
Za izračun najboljšega kota za maksimalno prodiranje svetlobe skozi steklo - iz tabele lomnega količnika ugotovimo, da je lomni količnik za zrak 1,00, lomni količnik za steklo pa 1,50.
Brusterjev kot bi bil arktan (1,50 / 1,00)=arktan (1,50)=56 stopinj (približno).
Izračun najboljšega svetlobnega kota za maksimalno prodiranje vode. Iz tabele lomnih količnikov sledi, da je indeks za zrak 1,00, indeks loma za vodo pa 1,33.
Brusterjev kot bi bil arktan (1,33 / 1,00)=arktan (1,33)=53 stopinj (približno).
Uporaba polarizirane svetlobe
Preprost laik si niti predstavljati ne more, kako intenzivno se polarizatorji uporabljajo v svetu. Polarizacija svetlobe Malusovega zakona nas obdaja povsod. Na primer, tako priljubljene stvari, kot so sončna očala Polaroid, pa tudi uporaba posebnih polarizacijskih filtrov za objektive fotoaparata. Različni znanstveni instrumenti uporabljajo polarizirano svetlobo, ki jo oddajajo laserji ali polarizirane žarnice z žarilno nitko in fluorescenčni viri.
Polarizatorji se včasih uporabljajo v razsvetljavi prostorov in odrov, da zmanjšajo bleščanje in zagotovijo enakomernejšo osvetlitev ter kot očala, ki dajejo viden občutek globine 3D filmom. Prekrižani polarizatorji celouporablja se v vesoljskih oblekah za drastično zmanjšanje količine svetlobe, ki vstopi v astronavtove oči med spanjem.
Skrivnosti optike v naravi
Zakaj modro nebo, rdeči sončni zahod in beli oblaki? Ta vprašanja so znana vsem že od otroštva. Zakoni Malusa in Brewsterja ponujajo razlage za te naravne učinke. Naše nebo je res pisano, zahvaljujoč soncu. Njegova svetla bela svetloba ima v notranjosti vgrajene vse barve mavrice: rdečo, oranžno, rumeno, zeleno, modro, indigo in vijolično. Pod določenimi pogoji človek sreča bodisi mavrico, bodisi sončni zahod ali siv pozen večer. Nebo je modro zaradi "razpršenosti" sončne svetlobe. Modra barva ima krajšo valovno dolžino in več energije kot druge barve.
Zaradi tega modro modro selektivno absorbirajo molekule zraka in jo nato spet sprostijo v vse smeri. Druge barve so manj razpršene in zato običajno niso vidne. Opoldansko sonce je rumeno, potem ko vpije svojo modro barvo. Ob sončnem vzhodu ali sončnem zahodu sončna svetloba vstopa pod majhnim kotom in mora prehajati skozi veliko debelino ozračja. Posledično je modra barva temeljito razpršena, tako da se večino popolnoma absorbira v zraku, izgubi in razprši druge barve, zlasti oranžne in rdeče, kar ustvarja veličastno barvno obzorje.
Barve sončne svetlobe so odgovorne tudi za vse odtenke, ki jih imamo radi na Zemlji, pa naj gre za travnato zeleno ali turkizni ocean. Površina vsakega predmeta izbere določene barve, ki jih bo odražalarazlikovati se. Oblaki so pogosto briljantno beli, ker so odlični reflektorji ali difuzorji katere koli barve. Vse vrnjene barve se seštejejo v nevtralno belo. Nekateri materiali enakomerno odražajo vse barve, kot so mleko, kreda in sladkor.
Pomen polarizacijske občutljivosti v astronomiji
Dolgo časa je bil pri študiju Malusovega zakona učinek polarizacije v astronomiji ignoriran. Starlight je skoraj popolnoma nepolariziran in se lahko uporablja kot standard. Prisotnost polarizirane svetlobe v astronomiji nam lahko pove, kako je nastala svetloba. V nekaterih supernovah oddana svetloba ni nepolarizirana. Glede na del zvezde, ki ga gledamo, je mogoče videti različno polarizacijo.
Ta informacija o polarizaciji svetlobe iz različnih regij meglice bi lahko raziskovalcem dala namige o lokaciji zasenčene zvezde.
V drugih primerih lahko prisotnost polarizirane svetlobe razkrije informacije o celotnem delu nevidne galaksije. Druga uporaba polarizacijsko občutljivih meritev v astronomiji je zaznavanje prisotnosti magnetnih polj. S preučevanjem krožne polarizacije zelo specifičnih barv svetlobe, ki izhaja iz sončne korone, so znanstveniki odkrili informacije o moči magnetnega polja na teh mestih.
Optična mikroskopija
Polarizirani svetlobni mikroskop je zasnovan za opazovanje in fotografiranje primerkov, ki so vidni skozinjihova optično anizotropna narava. Anizotropni materiali imajo optične lastnosti, ki se spreminjajo s smerjo širjenja svetlobe, ki prehaja skozi njih. Za izpolnitev te naloge mora biti mikroskop opremljen s polarizatorjem, ki je nameščen na svetlobni poti nekje pred vzorcem, in analizatorjem (drugim polarizatorjem), nameščenim na optični poti med zadnjo odprtino objektiva in cevmi za gledanje ali priključkom za kamero..
Uporaba polarizacije v biomedicini
Ta priljubljen trend danes temelji na dejstvu, da je v naših telesih veliko spojin, ki so optično aktivne, torej lahko vrtijo polarizacijo svetlobe, ki prehaja skozi njih. Različne optično aktivne spojine lahko zavrtijo polarizacijo svetlobe v različnih količinah in v različnih smereh.
Nekatere optično aktivne kemikalije so prisotne v višjih koncentracijah v zgodnjih fazah očesne bolezni. Zdravniki bi lahko to znanje uporabili za diagnosticiranje očesnih bolezni v prihodnosti. Lahko si predstavljamo, da zdravnik obsije polariziran vir svetlobe v pacientovo oko in izmeri polarizacijo svetlobe, ki se odbija od mrežnice. Uporablja se kot neinvazivna metoda za testiranje očesne bolezni.
Darilo sodobnosti - LCD zaslon
Če natančno pogledate LCD zaslon, boste opazili, da je slika velik niz barvnih kvadratov, razporejenih v mrežo. V njih so našli uporabo Malusovega zakona,fizika procesa, ki je ustvaril pogoje, ko ima vsak kvadrat ali piksel svojo barvo. Ta barva je kombinacija rdeče, zelene in modre svetlobe v vsaki intenzivnosti. Te primarne barve lahko reproducirajo katero koli barvo, ki jo vidi človeško oko, ker so naše oči trikromatične.
Z drugimi besedami, približujejo določene valovne dolžine svetlobe z analizo intenzivnosti vsakega od treh barvnih kanalov.
Prikazi izkoriščajo to pomanjkljivost tako, da prikazujejo samo tri valovne dolžine, ki selektivno ciljajo na vsako vrsto receptorja. Tekoči kristalna faza obstaja v osnovnem stanju, v katerem so molekule orientirane v plasteh, vsak naslednji sloj pa se rahlo zasuka, da tvori spiralni vzorec.
7-segmentni LCD zaslon:
- Pozitivna elektroda.
- Negativna elektroda.
- polarizator 2.
- Prikaz.
- polarizator 1.
- tekoči kristal.
Tukaj je LCD med dvema steklenima ploščama, ki sta opremljeni z elektrodama. LCD zasloni prozornih kemičnih spojin z "zvitimi molekulami", imenovanimi tekoči kristali. Pojav optične aktivnosti pri nekaterih kemikalijah je posledica njihove sposobnosti, da zasukajo ravnino polarizirane svetlobe.
Stereopsis 3D filmi
Polarizacija omogoča človeškim možganom, da ponaredijo 3D z analizo razlik med dvema slikama. Ljudje ne morejo videti v 3D, naše oči lahko vidijo le v 2D. Slike. Vendar pa lahko naši možgani razumejo, kako daleč so predmeti, tako da analizirajo razlike v tem, kar vidi vsako oko. Ta postopek je znan kot Stereopsis.
Ker lahko naši možgani vidijo samo psevdo-3D, lahko filmski ustvarjalci s tem postopkom ustvarijo iluzijo treh dimenzij, ne da bi se zatekli k hologramom. Vsi 3D filmi delujejo tako, da prikažejo dve fotografiji, po eno za vsako oko. Do petdesetih let prejšnjega stoletja je polarizacija postala prevladujoča metoda ločevanja slik. Gledališča so začela imeti dva projektorja, ki delujeta hkrati, z linearnim polarizatorjem nad vsakim objektivom.
Za trenutno generacijo 3D filmov je tehnologija prešla na krožno polarizacijo, ki skrbi za problem orientacije. To tehnologijo trenutno proizvaja RealD in predstavlja 90 % trga 3D. RealD je izdal krožni filter, ki zelo hitro preklaplja med polarizacijo v smeri urinega kazalca in v nasprotni smeri urinega kazalca, tako da se namesto dveh uporablja samo en projektor.
