Teško je izdvojiti tko je prvi otkrio polariziranu svjetlost. Drevni ljudi mogli su primijetiti osebujnu točku gledajući u nebo u određenim smjerovima. Polarizacija ima mnogo čuda, očituje se u različitim područjima života, a danas je predmet masovnog istraživanja i primjene, razlog svemu je Malusov zakon.
Otkriće polarizirane svjetlosti
Vikinzi su možda koristili polarizaciju neba za navigaciju. Čak i ako nisu, definitivno su pronašli Island i prekrasan kalcitni kamen. Islandski špart (kalcit) bio je poznat još u njihovo doba, upravo stanovnicima Islanda duguje svoje ime. Mineral se nekada koristio u navigaciji zbog svojih jedinstvenih optičkih svojstava. Igrao je glavnu ulogu u modernom otkriću polarizacije i nastavlja biti materijal izbora za odvajanje polarizacijskih komponenti svjetlosti.
Godine 1669. danski matematičar sa Sveučilišta u Kopenhagenu, Erasmus Bartholinus, ne samo da je ugledao dvostruko svjetlo, već je i proveo neke eksperimente, napisavši memoare od 60 stranica. Ovo jebio je prvi znanstveni opis efekta polarizacije, a autor se može smatrati otkrićem ovog nevjerojatnog svojstva svjetlosti.
Christian Huygens razvio je pulsirajuću valnu teoriju svjetlosti, koju je objavio 1690. godine u svojoj poznatoj knjizi Traite de la Lumiere. Istodobno, Isaac Newton je unaprijedio korpuskularnu teoriju svjetlosti u svojoj knjizi Opticks (1704.). Na kraju su oboje bili u pravu i u krivu, budući da svjetlost ima dvojaku prirodu (val i čestica). Ipak, Huygens je bio bliži modernom razumijevanju procesa.
Godine 1801. Thomas Young napravio je poznati eksperiment interferencije s dvostrukim prorezom. Dokazano da se svjetlost ponaša poput valova, a superpozicija valova može dovesti do tame (destruktivne interferencije). Koristio je svoju teoriju da objasni stvari poput Newtonovih prstenova i nadnaravnih duginih lukova. Proboj u znanosti dogodio se nekoliko godina kasnije kada je Jung pokazao da je polarizacija posljedica poprečne valne prirode svjetlosti.
Mladi Etienne Louis Malus živio je u turbulentnoj eri - tijekom Francuske revolucije i vladavine terora. S Napoleonovom vojskom sudjelovao je u invaziji na Egipat, te Palestinu i Siriju, gdje je obolio od kuge koja ga je nekoliko godina kasnije ubila. Ali uspio je dati važan doprinos razumijevanju polarizacije. Malusov zakon, koji je predvidio intenzitet svjetlosti koja se prenosi kroz polarizator, postao je jedan od najpopularnijih u 21. stoljeću pri stvaranju zaslona s tekućim kristalima.
Sir David Brewster, poznati znanstveni pisac, proučavao je predmete optičke fizike kao što su dikroizam i spektriapsorpciju, kao i popularnije teme poput stereo fotografije. Poznata je Brewsterova fraza: "Sve je prozirno osim stakla".
On je također dao neprocjenjiv doprinos proučavanju svjetlosti:
- Zakon koji opisuje "polarizacijski kut".
- Izum kaleidoskopa.
Brewster je ponovio Malusove eksperimente za mnoge dragulje i druge materijale, otkrivši anomaliju u staklu, i otkrio zakon - "Brewsterov kut". Prema njemu, "…kada je snop polariziran, reflektirani snop tvori pravi kut s prelomljenim snopom."
Zakon Malusove polarizacije
Prije nego što govorimo o polarizaciji, prvo se moramo sjetiti svjetlosti. Svjetlost je val, iako je ponekad čestica. Ali u svakom slučaju, polarizacija ima smisla ako o svjetlosti razmišljamo kao o valu, kao liniji, dok putuje od svjetiljke do očiju. Većina svjetlosti je mješoviti nered svjetlosnih valova koji vibriraju u svim smjerovima. Ovaj smjer titranja naziva se polarizacija svjetlosti. Polarizator je uređaj koji čisti ovaj nered. Prihvaća sve što miješa svjetlost i propušta samo svjetlost koja oscilira u jednom određenom smjeru.
Formulacija Malusovog zakona je: kada potpuno ravna polarizirana svjetlost padne na analizator, intenzitet svjetlosti koju odašilje analizator izravno je proporcionalan kvadratu kosinusa kuta između prijenosnih osi analizatora i polarizator.
Poprečni elektromagnetski val sadrži i električno i magnetsko polje, a električno polje u svjetlosnom valu okomito je na smjer širenja svjetlosnog vala. Smjer svjetlosne vibracije je električni vektor E.
Za običnu nepolariziranu zraku, električni vektor nastavlja nasumično mijenjati smjer kada svjetlost prolazi kroz polaroid, rezultirajuća svjetlost je ravninsko polarizirana s električnim vektorom koji vibrira u određenom smjeru. Smjer vektora snopa u nastajanju ovisi o orijentaciji polaroida, a ravnina polarizacije je dizajnirana kao ravnina koja sadrži E-vektor i svjetlosni snop.
Slika ispod prikazuje ravno polarizirano svjetlo zbog vertikalnog vektora EI i horizontalnog vektora EII.
Nepolarizirano svjetlo prolazi kroz Polaroid P 1, a zatim kroz Polaroid P 2, tvoreći kut θ s y ax-s. Nakon što svjetlost koja se širi duž x smjera prođe kroz Polaroid P 1, električni vektor povezan s polariziranom svjetlošću samo će vibrirati duž y osi.
Sada, ako dopustimo da ovaj polarizirani snop ponovo prođe kroz polarizirani P 2, stvarajući kut θ s y osi, onda ako je E 0 amplituda upadnog električnog polja na P 2, tada je amplituda val koji izlazi iz P 2, bit će jednak E 0 cosθ i, prema tome, intenzitet izlazne zrake će biti prema Malusovom zakonu (formuli) I=I 0 cos 2 θ
gdje je I 0 intenzitet zraka koji izlazi iz P 2 kada je θ=0θ je kut između prijenosnih ravnina analizatora i polarizatora.
Primjer izračuna intenziteta svjetlosti
Malusov zakon: I 1=I o cos 2 (q);
gdje je q kut između smjera polarizacije svjetlosti i osi prijenosa polarizatora.
Nepolarizirano svjetlo s intenzitetom I o=16 W/m 2 pada na par polarizatora. Prvi polarizator ima os prijenosa poravnatu na udaljenosti od 50° od vertikale. Drugi polarizator ima os prijenosa poravnatu na udaljenosti od 20o od vertikale.
Test Malusovog zakona može se napraviti izračunavanjem koliko je intenzivna svjetlost kada izlazi iz prvog polarizatora:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Svjetlo nije polarizirano, pa I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intenzitet svjetlosti iz drugog polarizatora:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Slijedi Malusov zakon, čija formulacija potvrđuje da kada svjetlost napusti prvi polarizator, ona je linearno polarizirana na 50o. Kut između ove i prijenosne osi drugog polarizatora je 30°. Stoga:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Sada linearna polarizacija snopa svjetlosti s intenzitetom od 16 W/m 2 pada na isti par polarizatora. Smjer polarizacije upadne svjetlosti je 20o od vertikale.
Intenzitet svjetlosti koja izlazi iz prvog i drugog polarizatora. Prolazeći kroz svaki polarizator, intenzitet se smanjuje za faktor 3/4. Nakon napuštanja prvog polarizatoraintenzitet je 163/4 =12 W/m2 i smanjuje se na 123/4 =9 W/m2 nakon prolaska drugog.
Maluzijski zakon polarizacije kaže da se za okretanje svjetlosti iz jednog smjera polarizacije u drugi, gubitak intenziteta smanjuje korištenjem više polarizatora.
Pretpostavimo da trebate rotirati smjer polarizacije za 90o.
| N, broj polarizatora | Ugao između uzastopnih polarizatora | 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 Brewsterovog reflektivnog kuta
Kada svjetlost udari u površinu, dio svjetlosti se reflektira, a dio prodire (lomi). Relativna količina ove refleksije i loma ovisi o tvarima koje prolaze kroz svjetlost, kao i o kutu pod kojim svjetlost pada na površinu. Postoji optimalni kut, ovisno o tvarima, koji omogućuje da se svjetlost što više lomi (prodira). Ovaj optimalni kut poznat je kao kut škotskog fizičara Davida Brewstera.
Izračunajte kutBrewster za obično polarizirano bijelo svjetlo proizvodi se po formuli:
theta=arktan (n1 / n2), gdje je theta Brewsterov kut, a n1 i n2 su indeksi loma dvaju medija.
Za izračunavanje najboljeg kuta za maksimalno prodiranje svjetlosti kroz staklo - iz tablice indeksa loma nalazimo da je indeks loma zraka 1,00, a indeks loma stakla 1,50.
Brusterov kut bi bio arktan (1,50 / 1,00)=arktan (1,50)=56 stupnjeva (približno).
Izračunavanje najboljeg kuta svjetla za maksimalan prodor vode. Iz tablice indeksa loma proizlazi da je indeks za zrak 1,00, a indeks loma za vodu 1,33.
Brusterov kut bi bio arktan (1,33 / 1,00)=arktan (1,33)=53 stupnja (približno).
Upotreba polariziranog svjetla
Običan laik ne može ni zamisliti koliko se u svijetu intenzivno koriste polarizatori. Polarizacija svjetlosti Malusovog zakona okružuje nas posvuda. Na primjer, popularne stvari kao što su Polaroid sunčane naočale, kao i korištenje posebnih polarizacijskih filtera za leće fotoaparata. Različiti znanstveni instrumenti koriste polarizirano svjetlo koje emitiraju laseri ili polarizirajuće žarulje sa žarnom niti i fluorescentni izvori.
Polarizatori se ponekad koriste u rasvjeti prostorija i pozornice za smanjenje odsjaja i ravnomjernije osvjetljenje te kao naočale za davanje vidljivog osjećaja dubine 3D filmovima. Ukršteni polarizatori čakkoristi se u svemirskim odijelima za drastično smanjenje količine svjetlosti koja ulazi u oči astronauta dok spava.
Tajne optike u prirodi
Zašto plavo nebo, crveni zalazak sunca i bijeli oblaci? Ova pitanja su svima poznata od djetinjstva. Zakoni Malusa i Brewstera daju objašnjenja za ove prirodne učinke. Naše je nebo zaista šareno, zahvaljujući suncu. Jarko bijelo svjetlo sadrži sve dugine boje: crvenu, narančastu, žutu, zelenu, plavu, indigo i ljubičastu. Pod određenim uvjetima, osoba susreće ili dugu, ili zalazak sunca, ili sivu kasnu večer. Nebo je plavo zbog "rasipanja" sunčeve svjetlosti. Plava boja ima kraću valnu duljinu i više energije od ostalih boja.
Kao rezultat, plavu boju selektivno apsorbiraju molekule zraka, a zatim ponovno oslobađaju u svim smjerovima. Ostale boje su manje raspršene i stoga obično nisu vidljive. Podnevno sunce postaje žuto nakon što upije svoju plavu boju. Pri izlasku ili zalasku sunca sunčeva svjetlost ulazi pod malim kutom i mora proći kroz veliku debljinu atmosfere. Kao rezultat toga, plava boja se temeljito raspršuje, tako da se najveći dio potpuno apsorbira u zraku, gubi se i raspršuje druge boje, posebno narančaste i crvene, stvarajući veličanstven horizont boja.
Boje sunčeve svjetlosti također su odgovorne za sve nijanse koje volimo na Zemlji, bilo da je zelena trava ili tirkizni ocean. Površina svakog objekta odabire određene boje koje će reflektiratirazlikovati se. Oblaci su često briljantno bijeli jer su izvrsni reflektori ili difuzori bilo koje boje. Sve vraćene boje se zbrajaju u neutralnu bijelu. Neki materijali ravnomjerno odražavaju sve boje, kao što su mlijeko, kreda i šećer.
Važnost polarizacijske osjetljivosti u astronomiji
Dugo je vrijeme, proučavanjem Malusovog zakona, zanemaren učinak polarizacije u astronomiji. Starlight je gotovo potpuno nepolariziran i može se koristiti kao standard. Prisutnost polarizirane svjetlosti u astronomiji može nam reći kako je svjetlost nastala. U nekim supernovama emitirana svjetlost nije nepolarizirana. Ovisno o dijelu zvijezde koji se promatra, može se vidjeti različita polarizacija.
Ova informacija o polarizaciji svjetlosti iz različitih područja maglice mogla bi istraživačima dati tragove za lokaciju zasjenjene zvijezde.
U drugim slučajevima, prisutnost polarizirane svjetlosti može otkriti informacije o cijelom dijelu nevidljive galaksije. Druga upotreba mjerenja osjetljivih na polarizaciju u astronomiji je otkrivanje prisutnosti magnetskih polja. Proučavajući kružnu polarizaciju vrlo specifičnih boja svjetlosti koja izvire iz korone sunca, znanstvenici su otkrili informacije o jačini magnetskog polja na tim mjestima.
Optička mikroskopija
Polarizirani svjetlosni mikroskop dizajniran je za promatranje i fotografiranje uzoraka koji su vidljivi kroznjihova optički anizotropna priroda. Anizotropni materijali imaju optička svojstva koja se mijenjaju sa smjerom širenja svjetlosti koja prolazi kroz njih. Da bi se postigao ovaj zadatak, mikroskop mora biti opremljen i polarizatorom koji se nalazi na putu svjetlosti negdje ispred uzorka i analizatorom (drugim polarizatorom) postavljenim na optičkom putu između stražnjeg otvora objektiva i cijevi za gledanje ili porta za kameru..
Primjena polarizacije u biomedicini
Ovaj popularni trend danas se temelji na činjenici da u našim tijelima postoje mnogi spojevi koji su optički aktivni, odnosno mogu rotirati polarizaciju svjetlosti koja prolazi kroz njih. Različiti optički aktivni spojevi mogu rotirati polarizaciju svjetlosti u različitim količinama iu različitim smjerovima.
Neke optički aktivne kemikalije prisutne su u višim koncentracijama u ranim stadijima očne bolesti. Liječnici bi potencijalno mogli koristiti ovo znanje za dijagnosticiranje očnih bolesti u budućnosti. Može se zamisliti da liječnik obasjava polarizirani izvor svjetlosti u pacijentovo oko i mjeri polarizaciju svjetlosti reflektirane od mrežnice. Koristi se kao neinvazivna metoda za testiranje očnih bolesti.
Dar modernosti - LCD ekran
Ako pažljivo pogledate LCD zaslon, primijetit ćete da je slika veliki niz kvadrata u boji raspoređenih u mreži. U njima su našli primjenu Malusovog zakona,fizika procesa koji je stvorio uvjete kada svaki kvadrat ili piksel ima svoju boju. Ova boja je kombinacija crvene, zelene i plave svjetlosti u svakom intenzitetu. Ove primarne boje mogu reproducirati bilo koju boju koju ljudsko oko može vidjeti jer su naše oči trobojne.
Drugim riječima, oni aproksimiraju određene valne duljine svjetlosti analizirajući intenzitet svakog od tri kanala boja.
Zasloni iskorištavaju ovaj nedostatak prikazujući samo tri valne duljine koje selektivno ciljaju na svaku vrstu receptora. Faza tekućeg kristala postoji u osnovnom stanju, u kojem su molekule orijentirane u slojevima, a svaki sljedeći sloj lagano se uvija da formira spiralni uzorak.
7-segmentni LCD zaslon:
- Pozitivna elektroda.
- Negativna elektroda.
- Polarizator 2.
- Prikaz.
- Polarizator 1.
- Tekući kristal.
Ovdje se LCD nalazi između dvije staklene ploče, koje su opremljene elektrodama. LCD-i prozirnih kemijskih spojeva s "upletenim molekulama" zvanim tekući kristali. Fenomen optičke aktivnosti u nekim kemikalijama nastaje zbog njihove sposobnosti da rotiraju ravninu polarizirane svjetlosti.
Stereopsis 3D filmovi
Polarizacija omogućuje ljudskom mozgu da lažira 3D analizirajući razlike između dvije slike. Ljudi ne mogu vidjeti u 3D, naše oči mogu vidjeti samo u 2D. Slike. Međutim, naš mozak može shvatiti koliko su udaljeni objekti analizirajući razlike u onome što svako oko vidi. Ovaj proces je poznat kao Stereopsis.
Budući da naš mozak može vidjeti samo pseudo-3D, filmaši mogu koristiti ovaj proces za stvaranje iluzije tri dimenzije bez pribjegavanja hologramima. Svi 3D filmovi funkcioniraju tako da isporučuju dvije fotografije, po jednu za svako oko. Do 1950-ih, polarizacija je postala dominantna metoda razdvajanja slika. Kina su počela imati dva projektora koja rade istovremeno, s linearnim polarizatorom preko svake leće.
Za trenutnu generaciju 3D filmova, tehnologija je prešla na kružnu polarizaciju, koja rješava problem orijentacije. Ovu tehnologiju trenutno proizvodi RealD i čini 90% 3D tržišta. RealD je objavio kružni filtar koji se vrlo brzo prebacuje između polarizacije u smjeru kazaljke na satu i obrnuto, tako da se koristi samo jedan projektor umjesto dva.
