Ir grūti izcelt, kurš pirmais atklāja polarizēto gaismu. Senie cilvēki varēja pamanīt savdabīgu vietu, skatoties debesīs noteiktos virzienos. Polarizācijai ir daudz dīvainību, tā izpaužas dažādās dzīves jomās, un mūsdienās tā ir masveida izpētes un pielietojuma objekts, iemesls visam ir Malus likums.
Polarizētas gaismas atklāšana
Vikingi, iespējams, navigācijai izmantojuši debesu polarizāciju. Pat ja viņi to nedarīja, viņi noteikti atrada Islandi un brīnišķīgo kalcīta akmeni. Islandes špagars (kalcīts) bija pazīstams jau viņu laikos, tieši Islandes iedzīvotājiem viņš ir parādā savu vārdu. Minerāls savulaik tika izmantots navigācijā tā unikālo optisko īpašību dēļ. Tam bija liela nozīme mūsdienu polarizācijas atklāšanā, un tas joprojām ir izvēlētais materiāls gaismas polarizācijas komponentu atdalīšanai.
1669. gadā dāņu matemātiķis no Kopenhāgenas universitātes Erasms Bartolins ne tikai redzēja dubultu gaismu, bet arī veica dažus eksperimentus, uzrakstot 60 lappušu garu memuāru grāmatu. Tas irbija pirmais zinātniskais polarizācijas efekta apraksts, un autoru var uzskatīt par šīs apbrīnojamās gaismas īpašības atklājēju.
Kristians Huigenss izstrādāja gaismas impulsa viļņu teoriju, ko viņš publicēja 1690. gadā savā slavenajā grāmatā Traite de la Lumiere. Tajā pašā laikā Īzaks Ņūtons savā grāmatā Optika (1704) attīstīja gaismas korpuskulāro teoriju. Galu galā abi bija pareizi un nepareizi, jo gaismai ir divējāda daba (vilnis un daļiņa). Tomēr Huygens bija tuvāk mūsdienu procesa izpratnei.
1801. gadā Tomass Jangs veica slaveno dubultās spraugas traucējumu eksperimentu. Pierādīts, ka gaisma uzvedas kā viļņi un viļņu superpozīcija var izraisīt tumsu (destruktīvus traucējumus). Viņš izmantoja savu teoriju, lai izskaidrotu tādas lietas kā Ņūtona gredzeni un pārdabiski varavīksnes loki. Zinātnes sasniegums notika dažus gadus vēlāk, kad Jungs parādīja, ka polarizācija ir saistīta ar gaismas šķērsviļņu raksturu.
Jaunais Etjēns Luiss Maluss dzīvoja nemierīgā laikmetā – Francijas revolūcijas un terora valdīšanas laikā. Viņš kopā ar Napoleona armiju piedalījās iebrukumā Ēģiptē, kā arī Palestīnā un Sīrijā, kur viņš saslima ar mēri, kas dažus gadus vēlāk viņu nogalināja. Bet viņam izdevās dot nozīmīgu ieguldījumu polarizācijas izpratnē. Malusa likums, kas paredzēja caur polarizatoru raidītās gaismas intensitāti, ir kļuvis par vienu no populārākajiem 21. gadsimtā, veidojot šķidro kristālu ekrānus.
Sirs Deivids Brūsters, slavenais zinātnes rakstnieks, studēja optiskās fizikas priekšmetus, piemēram, dikroismu un spektrusabsorbcija, kā arī populārāki priekšmeti, piemēram, stereo fotogrāfija. Ir zināma Brūstera slavenā frāze: "Viss ir caurspīdīgs, izņemot stiklu".
Viņš arī sniedza nenovērtējamu ieguldījumu gaismas izpētē:
- Likums, kas apraksta "polarizācijas leņķi".
- Kaleidoskopa izgudrojums.
Brewster atkārtoja Malusa eksperimentus ar daudziem dārgakmeņiem un citiem materiāliem, atklājot stiklā anomāliju, un atklāja likumu - "Brūstera leņķi". Pēc viņa teiktā, "…kad stars ir polarizēts, atstarotais stars veido taisnu leņķi ar lauzto staru."
Malus polarizācijas likums
Pirms runājam par polarizāciju, vispirms jāatceras par gaismu. Gaisma ir vilnis, lai gan dažreiz tā ir daļiņa. Bet jebkurā gadījumā polarizācijai ir jēga, ja mēs domājam par gaismu kā vilni, kā līniju, kad tā virzās no lampas uz acīm. Lielākā daļa gaismas ir gaismas viļņu jaukts haoss, kas vibrē visos virzienos. Šo svārstību virzienu sauc par gaismas polarizāciju. Polarizators ir ierīce, kas iztīra šo putru. Tas pieņem jebko, kas sajauc gaismu, un laiž cauri tikai gaismu, kas svārstās vienā noteiktā virzienā.
Malū likuma formulējums ir šāds: kad uz analizatora krīt pilnīgi plakana polarizēta gaisma, analizatora raidītās gaismas intensitāte ir tieši proporcionāla leņķa kosinusa kvadrātam starp analizatora pārraides asīm un polarizators.
Šķērsvirziena elektromagnētiskais vilnis satur gan elektrisko, gan magnētisko lauku, un gaismas viļņa elektriskais lauks ir perpendikulārs gaismas viļņu izplatīšanās virzienam. Gaismas vibrācijas virziens ir elektriskais vektors E.
Parastam nepolarizētam staram elektriskais vektors turpina nejauši mainīt savu virzienu, kad gaisma tiek izlaista caur polaroīdu, un iegūtā gaisma ir plaknē polarizēta, tā elektriskajam vektoram vibrējot noteiktā virzienā. Jaunā stara vektora virziens ir atkarīgs no polaroīda orientācijas, un polarizācijas plakne ir veidota kā plakne, kas satur E vektoru un gaismas staru.
Zemāk redzamajā attēlā redzama plakana polarizēta gaisma vertikālā vektora EI un horizontālā vektora EII dēļ.
Nepolarizēta gaisma iziet cauri polaroīdam P 1 un pēc tam caur polaroīdu P 2, veidojot leņķi θ ar y ax-s. Pēc tam, kad gaisma, kas izplatās x virzienā, šķērso polaroīdu P 1, ar polarizēto gaismu saistītais elektriskais vektors vibrēs tikai pa y asi.
Tagad, ja mēs ļaujam šim polarizētajam staram atkal iziet cauri polarizētajam P 2, veidojot leņķi θ ar y asi, tad, ja E 0 ir krītošā elektriskā lauka amplitūda uz P 2, tad amplitūda vilnis, kas iziet no P 2, būs vienāds ar E 0 cosθ, un tāpēc topošā stara intensitāte būs saskaņā ar Malus likumu (formulu) I=I 0 cos 2 θ
kur I 0 ir stara intensitāte, kas izplūst no P 2, ja θ=0θ ir leņķis starp analizatora un polarizatora pārraides plaknēm.
Gaismas intensitātes aprēķina piemērs
Malus likums: I 1=I o cos 2 (q);
kur q ir leņķis starp gaismas polarizācijas virzienu un polarizatora pārraides asi.
Nepolarizēta gaisma ar intensitāti I o=16 W/m 2 krīt uz polarizatoru pāra. Pirmajam polarizatoram ir pārraides ass, kas ir izlīdzināta 50° attālumā no vertikāles. Otrajam polarizatoram transmisijas ass ir izlīdzināta 20o attālumā no vertikāles.
Malusa likuma pārbaudi var veikt, aprēķinot, cik intensīva ir gaisma, kad tā izplūst no pirmā polarizatora:
4 W/m 2
16, maksā 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Gaisma nav polarizēta, tāpēc I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Gaismas intensitāte no otrā polarizatora:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Seko Malus likums, kura formulējums apstiprina, ka, gaismai izejot no pirmā polarizatora, tā lineāri polarizējas pie 50o. Leņķis starp šo un otrā polarizatora pārraides asi ir 30°. Tāpēc:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Tagad gaismas stara lineārā polarizācija ar intensitāti 16 W/m 2 krīt uz to pašu polarizatoru pāri. Krītošās gaismas polarizācijas virziens ir 20o no vertikāles.
Gaismas intensitāte, kas izplūst no pirmā un otrā polarizatora. Izejot cauri katram polarizatoram, intensitāte samazinās par 3/4. Pēc pirmā polarizatora atstāšanasintensitāte ir 163/4 =12 W/m2 un samazinās līdz 123/4 =9 W/m2, izturot otro.
Malūzijas likuma polarizācija saka, ka, lai gaismu pagrieztu no viena polarizācijas virziena uz otru, intensitātes zudums tiek samazināts, izmantojot vairāk polarizatoru.
Pieņemsim, ka jums ir jāpagriež polarizācijas virziens par 90o.
| N, polarizatoru skaits | Leņķis starp secīgiem polarizatoriem | 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 |
Brewster atstarojuma leņķa aprēķins
Kad gaisma saskaras ar virsmu, daļa gaismas tiek atstarota un daļa iekļūst (salaužas). Šīs atstarošanas un refrakcijas relatīvais apjoms ir atkarīgs no vielām, kas iet caur gaismu, kā arī no leņķa, kādā gaisma saskaras ar virsmu. Atkarībā no vielām ir optimāls leņķis, kas ļauj gaismai pēc iespējas vairāk lauzt (iekļūt). Šis optimālais leņķis ir pazīstams kā skotu fiziķa Deivida Brūstera leņķis.
Aprēķiniet leņķiBrewster parastai polarizētai b altai gaismai tiek ražots pēc formulas:
teta=arktāns (n1/n2), kur teta ir Brūstera leņķis, un n1 un n2 ir abu datu nesēju laušanas koeficienti.
Lai aprēķinātu labāko leņķi maksimālai gaismas iekļūšanai caur stiklu - no laušanas koeficienta tabulas mēs atklājam, ka laušanas koeficients gaisam ir 1,00 un stikla laušanas koeficients ir 1,50.
Brūstera leņķis būtu arktāns (1,50/1,00)=arktāns (1,50)=56 grādi (aptuveni).
Labākā gaismas leņķa aprēķināšana maksimālai ūdens iekļūšanai. No laušanas koeficientu tabulas izriet, ka gaisa laušanas koeficients ir 1,00, bet ūdens laušanas koeficients ir 1,33.
Brūstera leņķis būtu arktāns (1,33/1,00)=arktāns (1,33)=53 grādi (aptuveni).
Polarizētas gaismas izmantošana
Vienkāršs lajs pat nevar iedomāties, cik intensīvi pasaulē tiek izmantoti polarizatori. Malus likuma gaismas polarizācija mūs ieskauj visur. Piemēram, tādas populāras lietas kā Polaroid saulesbrilles, kā arī īpašu polarizējošo filtru izmantošana kameru objektīviem. Dažādi zinātniskie instrumenti izmanto polarizētu gaismu, ko izstaro lāzeri vai polarizējošās kvēlspuldzes un dienasgaismas avoti.
Polarizatorus dažkārt izmanto telpu un skatuves apgaismojumā, lai samazinātu atspīdumu un nodrošinātu vienmērīgāku apgaismojumu, kā arī kā brilles, lai sniegtu 3D filmām redzamu dziļuma sajūtu. Šķērsoti polarizatori patizmanto kosmosa tērpos, lai krasi samazinātu gaismas daudzumu, kas guļ astronauta acīs nonāk.
Optikas noslēpumi dabā
Kāpēc zilas debesis, sarkans saulriets un b alti mākoņi? Šie jautājumi ir zināmi ikvienam kopš bērnības. Malus un Brewster likumi sniedz skaidrojumus par šīm dabiskajām sekām. Mūsu debesis ir patiešām krāsainas, pateicoties saulei. Tās spilgti b altajā gaismā ir iestrādātas visas varavīksnes krāsas: sarkana, oranža, dzeltena, zaļa, zila, indigo un violeta. Noteiktos apstākļos cilvēks satiek vai nu varavīksni, vai saulrietu, vai pelēku vēlu vakaru. Saules gaismas "izkliedēšanas" dēļ debesis ir zilas. Zilai krāsai ir īsāks viļņa garums un vairāk enerģijas nekā citām krāsām.
Tā rezultātā zilo krāsu selektīvi absorbē gaisa molekulas un pēc tam atkal izdala visos virzienos. Citas krāsas ir mazāk izkliedētas un tāpēc parasti nav redzamas. Pusdienas saule pēc zilās krāsas absorbēšanas ir dzeltena. Saullēktā vai saulrietā saules gaisma ieplūst zemā leņķī, un tai jāiziet cauri lielam atmosfēras biezumam. Rezultātā zilā krāsa ir pamatīgi izkliedēta, tā ka lielākā daļa no tās pilnībā tiek absorbēta ar gaisu, pazūd un izkliedē citas krāsas, īpaši oranžās un sarkanās, radot krāšņu krāsu horizontu.
Saules gaismas krāsas ir arī atbildīgas par visām nokrāsām, kuras mēs mīlam uz Zemes, neatkarīgi no tā, vai tā ir zaļa zāle vai tirkīza okeāns. Katra objekta virsma izvēlas konkrētās krāsas, kuras tā atspoguļosatšķirt sevi. Mākoņi bieži ir izcili b alti, jo tie ir lieliski jebkuras krāsas atstarotāji vai difuzori. Visas atgrieztās krāsas tiek pievienotas neitrālai b altajai krāsai. Daži materiāli vienmērīgi atspoguļo visas krāsas, piemēram, piens, krīts un cukurs.
Polarizācijas jutības nozīme astronomijā
Ilgu laiku Malusa likuma izpēte, polarizācijas ietekme astronomijā tika ignorēta. Starlight ir gandrīz pilnībā nepolarizēts, un to var izmantot kā standartu. Polarizētās gaismas klātbūtne astronomijā var mums pastāstīt, kā gaisma tika radīta. Dažās supernovās izstarotā gaisma nav nepolarizēta. Atkarībā no skatītās zvaigznes daļas var redzēt atšķirīgu polarizāciju.
Šī informācija par gaismas polarizāciju no dažādiem miglāja reģioniem varētu dot pētniekiem norādes par ēnotās zvaigznes atrašanās vietu.
Citos gadījumos polarizētās gaismas klātbūtne var atklāt informāciju par visu neredzamās galaktikas daļu. Vēl viens polarizācijas jutīgo mērījumu lietojums astronomijā ir magnētisko lauku klātbūtnes noteikšana. Pētot ļoti specifisku gaismas krāsu cirkulāro polarizāciju, kas izplūst no saules vainaga, zinātnieki ir atklājuši informāciju par magnētiskā lauka stiprumu šajās vietās.
Optiskā mikroskopija
Polarizētās gaismas mikroskops ir paredzēts, lai novērotu un fotografētu paraugus, kas ir redzami caurto optiski anizotropais raksturs. Anizotropiem materiāliem ir optiskās īpašības, kas mainās atkarībā no gaismas izplatīšanās virziena, kas iet caur tiem. Lai veiktu šo uzdevumu, mikroskopam jābūt aprīkotam gan ar polarizatoru, kas novietots gaismas ceļā kaut kur parauga priekšā, gan ar analizatoru (otro polarizatoru), kas novietots optiskajā ceļā starp objektīva aizmugurējo apertūru un skatīšanās caurulēm vai kameras pieslēgvietu..
Polarizācijas pielietojums biomedicīnā
Šīs mūsdienās populārās tendences pamatā ir fakts, ka mūsu ķermeņos ir daudz savienojumu, kas ir optiski aktīvi, tas ir, tie var pagriezt caur tiem ejošās gaismas polarizāciju. Dažādi optiski aktīvi savienojumi var pagriezt gaismas polarizāciju dažādos daudzumos un dažādos virzienos.
Dažas optiski aktīvās ķīmiskās vielas ir sastopamas lielākā koncentrācijā acu slimību agrīnās stadijās. Mediķi varētu izmantot šīs zināšanas, lai nākotnē diagnosticētu acu slimības. Var iedomāties, ka ārsts pacienta acī iespīdē polarizētas gaismas avotu un mēra no tīklenes atstarotās gaismas polarizāciju. Izmanto kā neinvazīvu metodi acu slimību pārbaudei.
Modernitātes dāvana - LCD ekrāns
Ja vērīgi aplūkosit LCD ekrānu, pamanīsit, ka attēls ir liels krāsainu kvadrātu klāsts, kas sakārtots režģī. Tajos viņi atrada Malus likuma piemērošanu,procesa fizika, kas radīja apstākļus, kad katram kvadrātam vai pikselim ir sava krāsa. Šī krāsa ir sarkanas, zaļas un zilas gaismas kombinācija katrā intensitātē. Šīs pamatkrāsas var atveidot jebkuru krāsu, ko var redzēt cilvēka acs, jo mūsu acis ir trīskrāsainas.
Citiem vārdiem sakot, tie aptuveni nosaka konkrētus gaismas viļņu garumus, analizējot katra no trīs krāsu kanālu intensitāti.
Displeji izmanto šo trūkumu, parādot tikai trīs viļņu garumus, kas selektīvi mērķēti uz katra veida receptoriem. Šķidro kristālu fāze pastāv pamatstāvoklī, kurā molekulas ir orientētas slāņos, un katrs nākamais slānis nedaudz pagriežas, veidojot spirālveida rakstu.
7 segmentu LCD displejs:
- Pozitīvs elektrods.
- Negatīvs elektrods.
- Polarizer 2.
- Displejs.
- Polarizer 1.
- Šķidrie kristāli.
Šeit LCD atrodas starp divām stikla plāksnēm, kas aprīkotas ar elektrodiem. Caurspīdīgu ķīmisko savienojumu LCD ar "savītām molekulām", ko sauc par šķidrajiem kristāliem. Dažu ķīmisko vielu optiskās aktivitātes fenomens ir saistīts ar to spēju pagriezt polarizētās gaismas plakni.
Stereopsis 3D filmas
Polarizācija ļauj cilvēka smadzenēm viltot 3D, analizējot atšķirības starp diviem attēliem. Cilvēki nevar redzēt 3D, mūsu acis var redzēt tikai 2D. Attēli. Tomēr mūsu smadzenes var saprast, cik tālu objekti atrodas, analizējot atšķirības tajā, ko redz katra acs. Šis process ir pazīstams kā Stereopsis.
Tā kā mūsu smadzenes var redzēt tikai pseido-3D, filmu veidotāji var izmantot šo procesu, lai radītu trīs dimensiju ilūziju, neizmantojot hologrammas. Visas 3D filmas darbojas, piegādājot divus fotoattēlus, pa vienam katrai acij. Līdz 1950. gadiem polarizācija bija kļuvusi par dominējošo attēlu atdalīšanas metodi. Teātros sāka darboties divi projektori vienlaicīgi ar lineāru polarizatoru virs katra objektīva.
Pašreizējās 3D filmu paaudzes tehnoloģija ir pārgājusi uz apļveida polarizāciju, kas rūpējas par orientācijas problēmu. Šo tehnoloģiju pašlaik ražo RealD, un tā veido 90% no 3D tirgus. RealD izlaida apļveida filtru, kas ļoti ātri pārslēdzas starp polarizāciju pulksteņrādītāja virzienā un pretēji pulksteņrādītāja virzienam, tāpēc tiek izmantots tikai viens projektors divu vietā.
