Det er svært at udpege, hvem der var den første til at opdage polariseret lys. Gamle mennesker kunne bemærke et ejendommeligt sted ved at se på himlen i bestemte retninger. Polarisering har mange særheder, manifesterer sig på forskellige områder af livet, og i dag er den genstand for masseforskning og anvendelse, grunden til alt er Malus lov.
Opdagelse af polariseret lys
Vikings kan have brugt himmelpolarisering til at navigere. Selvom de ikke gjorde det, fandt de bestemt Island og den vidunderlige kalksten. Islandsk spar (kalcit) var kendt selv i deres tid, det er indbyggerne i Island, han skylder sit navn til. Mineralet blev engang brugt i navigation på grund af dets unikke optiske egenskaber. Det spillede en stor rolle i den moderne opdagelse af polarisering og er fortsat det foretrukne materiale til at adskille lysets polarisationskomponenter.
I 1669 så den danske matematiker fra Københavns Universitet, Erasmus Bartholinus, ikke blot et dobbelt lys, men udførte også nogle eksperimenter, idet han skrev en 60-siders erindringsbog. Dette ervar den første videnskabelige beskrivelse af polarisationseffekten, og forfatteren kan betragtes som opdageren af denne fantastiske lysegenskab.
Christian Huygens udviklede den pulserende bølgeteori om lys, som han udgav i 1690 i sin berømte bog Traite de la Lumiere. Samtidig fremførte Isaac Newton den korpuskulære teori om lys i sin bog Opticks (1704). I sidste ende var begge rigtige og forkerte, da lys har en dobbelt natur (bølge og partikel). Alligevel var Huygens tættere på den moderne forståelse af processen.
I 1801 lavede Thomas Young det berømte dobbeltsp alteinterferenseksperiment. Bevist, at lys opfører sig som bølger, og overlejring af bølger kan føre til mørke (destruktiv interferens). Han brugte sin teori til at forklare ting som Newtons ringe og overnaturlige regnbuebuer. Et gennembrud inden for videnskaben kom et par år senere, da Jung viste, at polarisering skyldes lysets tværbølgenatur.
Den unge Etienne Louis Malus levede i en turbulent æra - under den franske revolution og terrorens regeringstid. Han deltog med Napoleons hær i invasionen af Egypten, samt Palæstina og Syrien, hvor han pådrog sig pesten, der dræbte ham et par år senere. Men han formåede at yde et vigtigt bidrag til forståelsen af polarisering. Malus' lov, som forudsagde intensiteten af lys transmitteret gennem en polarisator, er blevet en af de mest populære i det 21. århundrede, når der blev skabt flydende krystalskærme.
Sir David Brewster, berømt videnskabsforfatter, studerede optiske fysikfag såsom dikroisme og spektreabsorption, samt mere populære motiver som stereofotografering. Brewsters berømte sætning er kendt: "Alt er gennemsigtigt undtagen glas".
Han ydede også et uvurderligt bidrag til studiet af lys:
- Loven, der beskriver "polarisationsvinklen".
- Opfindelsen af kalejdoskopet.
Brewster gentog Malus' eksperimenter med mange ædelstene og andre materialer, og opdagede en anomali i glas, og opdagede loven - "Brewsters vinkel". Ifølge ham, "…når strålen er polariseret, danner den reflekterede stråle en ret vinkel med den brudte stråle."
Malus Polarization Law
Før vi taler om polarisering, skal vi først huske på lys. Lys er en bølge, selvom det nogle gange er en partikel. Men under alle omstændigheder giver polarisering mening, hvis vi tænker på lys som en bølge, som en linje, når det bevæger sig fra lampen til øjnene. Det meste lys er et blandet rod af lysbølger, der vibrerer i alle retninger. Denne oscillationsretning kaldes lysets polarisering. Polarisatoren er den enhed, der rydder op i dette rod. Den accepterer alt, der blander lys og slipper kun lys igennem, der svinger i én bestemt retning.
Formuleringen af Malus' lov er: når et fuldstændig fladt polariseret lys falder på analysatoren, er intensiteten af lyset transmitteret af analysatoren direkte proportional med kvadratet på cosinus af vinklen mellem analysatorens transmissionsakser og polarisatoren.
En tværgående elektromagnetisk bølge indeholder både et elektrisk og et magnetisk felt, og det elektriske felt i en lysbølge er vinkelret på lysbølgens udbredelsesretning. Retningen af lysvibrationen er den elektriske vektor E.
For en almindelig upolariseret stråle, bliver den elektriske vektor ved med at ændre sin retning tilfældigt, når lys passerer gennem en polaroid, det resulterende lys er planpolariseret med dens elektriske vektor vibrerende i en bestemt retning. Retningen af den fremkommende strålevektor afhænger af polaroidens orientering, og polarisationsplanet er designet som et plan, der indeholder E-vektoren og lysstrålen.
Figuren nedenfor viser fladt polariseret lys på grund af den lodrette vektor EI og den horisontale vektor EII.
Upolariseret lys passerer gennem en polaroid P 1 og derefter gennem en polaroid P 2 og danner en vinkel θ med y-akse-s. Efter lys, der forplanter sig langs x-retningen, passerer gennem polaroid P 1, vil den elektriske vektor, der er forbundet med det polariserede lys, kun vibrere langs y-aksen.
Nu, hvis vi tillader denne polariserede stråle at passere gennem den polariserede P 2 igen og danner en vinkel θ med y-aksen, så hvis E 0 er amplituden af det indfaldende elektriske felt på P 2, så er amplituden af bølgen, der kommer ud af P 2, vil være lig med E 0 cosθ, og derfor vil intensiteten af den fremkommende stråle være i overensstemmelse med Malus-loven (formlen) I=I 0 cos 2 θ
hvor I 0 er intensiteten af strålen, der kommer ud fra P 2, når θ=0θ er vinklen mellem analysatorens og polarisatorens transmissionsplaner.
Lysintensitetsberegningseksempel
Malus' lov: I 1=I o cos 2 (q);
hvor q er vinklen mellem lyspolarisationsretningen og polarisatortransmissionsaksen.
Upolariseret lys med intensitet I o=16 W/m 2 falder på et par polarisatorer. Den første polarisator har en transmissionsakse, der er justeret i en afstand på 50° fra lodret. Den anden polarisator har transmissionsaksen justeret i en afstand på 20o fra lodret.
En test af Malus' lov kan udføres ved at beregne, hvor intenst lyset er, når det kommer ud af den første polarisator:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Lys er ikke polariseret, så I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Lysintensitet fra den anden polarisator:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Følgt af Malus-loven, hvis formulering bekræfter, at når lys forlader den første polarisator, er det lineært polariseret ved 50o. Vinklen mellem denne og transmissionsaksen for den anden polarisator er 30°. Derfor:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Nu falder den lineære polarisering af en lysstråle med en intensitet på 16 W/m 2 på det samme par polarisatorer. Polarisationsretningen af det indfaldende lys er 20o fra lodret.
Lysintensiteten, der kommer ud af den første og anden polarisator. Ved at passere gennem hver polarisator falder intensiteten med en faktor på 3/4. Efter at have forladt den første polarisatorintensiteten er 163/4 =12 W/m2 og falder til 123/4 =9 W/m2 efter at have passeret den anden.
malusisk lovpolarisering siger, at for at vende lys fra en polariseringsretning til en anden, reduceres intensitetstabet ved at bruge flere polarisatorer.
Antag, at du skal rotere polarisationsretningen med 90o.
| N, antal polarisatorer | Vinkel mellem på hinanden følgende polarisatorer | 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 |
Beregning af Brewster-reflektionsvinklen
Når lys rammer en overflade, reflekteres noget af lyset, og noget af det trænger ind (brydes). Den relative mængde af denne refleksion og brydning afhænger af de stoffer, der passerer gennem lyset, samt den vinkel, hvormed lyset rammer overfladen. Der er en optimal vinkel, afhængig af stofferne, der gør, at lyset kan bryde (gennemtrænge) så meget som muligt. Denne optimale vinkel er kendt som den skotske fysiker David Brewsters vinkel.
Beregn vinklenBrewster til almindeligt polariseret hvidt lys er produceret af formlen:
theta=arktan (n1 / n2), hvor theta er Brewster-vinklen, og n1 og n2 er brydningsindekserne for de to medier.
For at beregne den bedste vinkel for maksimal lysgennemtrængning gennem glas - fra brydningsindekstabellen finder vi, at brydningsindekset for luft er 1,00 og brydningsindekset for glas er 1,50.
Brewster-vinklen ville være arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 grader (ca.).
Beregning af den bedste lysvinkel for maksimal vandgennemtrængning. Af tabellen over brydningsindekser følger, at indekset for luft er 1,00, og brydningsindekset for vand er 1,33.
Brewster-vinklen ville være arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 grader (ca.).
Brug af polariseret lys
En simpel lægmand kan ikke engang forestille sig, hvor intensivt polarisatorer bruges i verden. Polariseringen af lyset fra Malus lov omgiver os over alt. For eksempel så populære ting som Polaroid-solbriller, samt brugen af specielle polariserende filtre til kameralinser. Forskellige videnskabelige instrumenter bruger polariseret lys, der udsendes af lasere eller af polariserende glødelamper og fluorescerende kilder.
Polarisatorer bruges nogle gange i rum- og scenebelysning for at reducere blænding og give mere jævn belysning og som briller for at give en synlig følelse af dybde til 3D-film. Krydsede polarisatorer enddabruges i rumdragter til drastisk at reducere mængden af lys, der kommer ind i en astronauts øjne, mens han sover.
Optikkens hemmeligheder i naturen
Hvorfor blå himmel, rød solnedgang og hvide skyer? Disse spørgsmål er kendt af alle siden barndommen. Malus og Brewsters love giver forklaringer på disse naturlige virkninger. Vores himmel er virkelig farverig, takket være solen. Dens klare hvide lys har alle regnbuens farver indlejret indeni: rød, orange, gul, grøn, blå, indigo og violet. Under visse forhold møder en person enten en regnbue eller en solnedgang eller en grå sen aften. Himlen er blå på grund af "spredning" af sollys. Farven blå har en kortere bølgelængde og mere energi end andre farver.
Som et resultat absorberes blå selektivt af luftmolekyler og frigives derefter igen i alle retninger. Andre farver er mindre spredte og derfor norm alt ikke synlige. Middagssolen er gul efter at have absorberet dens blå farve. Ved solopgang eller solnedgang kommer sollys ind i en lav vinkel og skal passere gennem en stor tykkelse af atmosfæren. Som et resultat er den blå farve grundigt spredt, så det meste af den absorberes fuldstændigt af luften, tabt og spreder andre farver, især orange og røde, hvilket skaber en strålende farvehorisont.
Farverne i sollys er også ansvarlige for alle de nuancer, vi elsker på Jorden, uanset om det er græsgrønt eller det turkise hav. Overfladen af hvert objekt vælger de specifikke farver, det vil reflektere for atskelne dig selv. Skyer er ofte strålende hvide, fordi de er fremragende reflektorer eller diffusere af enhver farve. Alle returnerede farver lægges sammen til neutral hvid. Nogle materialer afspejler alle farver jævnt, såsom mælk, kridt og sukker.
Betydningen af polarisationsfølsomhed i astronomi
I lang tid blev undersøgelsen af Malus' lov, effekten af polarisering i astronomi ignoreret. Starlight er næsten fuldstændig upolariseret og kan bruges som standard. Tilstedeværelsen af polariseret lys i astronomi kan fortælle os, hvordan lys blev skabt. I nogle supernovaer er det udsendte lys ikke upolariseret. Afhængigt af den del af stjernen, der ses, kan en anden polarisering ses.
Denne information om polariseringen af lys fra forskellige områder af tågen kunne give forskere fingerpeg om placeringen af den skyggefulde stjerne.
I andre tilfælde kan tilstedeværelsen af polariseret lys afsløre information om hele den usynlige galakse. En anden anvendelse af polarisationsfølsomme målinger i astronomi er at detektere tilstedeværelsen af magnetiske felter. Ved at studere den cirkulære polarisering af meget specifikke lysfarver, der udgår fra solens korona, har videnskabsmænd afsløret information om styrken af magnetfeltet på disse steder.
Optisk mikroskopi
Det polariserede lysmikroskop er designet til at observere og fotografere prøver, der er synlige gennemderes optisk anisotrope natur. Anisotrope materialer har optiske egenskaber, der ændrer sig med udbredelsesretningen af lys, der passerer gennem dem. For at udføre denne opgave skal mikroskopet være udstyret med både en polarisator placeret i lysbanen et sted foran prøven og en analysator (anden polarisator) placeret i den optiske bane mellem objektivets bageste blænde og synsrørene eller kameraporten..
Anvendelse af polarisering i biomedicin
Denne populære trend i dag er baseret på det faktum, at der i vores kroppe er mange forbindelser, der er optisk aktive, det vil sige, at de kan rotere polariseringen af lyset, der passerer gennem dem. Forskellige optisk aktive forbindelser kan rotere lysets polarisering i forskellige mængder og i forskellige retninger.
Nogle optisk aktive kemikalier er til stede i højere koncentrationer i de tidlige stadier af øjensygdom. Læger kunne potentielt bruge denne viden til at diagnosticere øjensygdomme i fremtiden. Man kan forestille sig, at lægen skinner en polariseret lyskilde ind i patientens øje og måler polariseringen af lyset, der reflekteres fra nethinden. Anvendes som en ikke-invasiv metode til at teste øjensygdomme.
Modernitetens gave - LCD-skærm
Hvis du ser nøje på LCD-skærmen, vil du bemærke, at billedet er en stor række farvede firkanter arrangeret i et gitter. I dem fandt de anvendelse af Malus lov,fysikken i den proces, der skabte betingelserne, når hver firkant eller pixel har sin egen farve. Denne farve er en kombination af rødt, grønt og blåt lys i hver intensitet. Disse primære farver kan gengive enhver farve, som det menneskelige øje kan se, fordi vores øjne er trikromatiske.
Med andre ord, de tilnærmer specifikke bølgelængder af lys ved at analysere intensiteten af hver af de tre farvekanaler.
Displays udnytter denne mangel ved kun at vise tre bølgelængder, der selektivt målretter mod hver type receptor. Den flydende krystalfase eksisterer i grundtilstanden, hvor molekylerne er orienteret i lag, og hvert efterfølgende lag vrider sig let for at danne et spiralformet mønster.
7-segment LCD-skærm:
- Positiv elektrode.
- Negativ elektrode.
- Polarizer 2.
- Display.
- Polarizer 1.
- Flydende krystal.
Her er LCD-skærmen mellem to glasplader, som er udstyret med elektroder. LCD-skærme af gennemsigtige kemiske forbindelser med "snoede molekyler" kaldet flydende krystaller. Fænomenet optisk aktivitet i nogle kemikalier skyldes deres evne til at rotere planet for polariseret lys.
Stereopsis 3D-film
Polarisering tillader den menneskelige hjerne at fake 3D ved at analysere forskellene mellem to billeder. Mennesker kan ikke se i 3D, vores øjne kan kun se i 2D. Billeder. Vores hjerner kan dog give mening om, hvor langt væk objekter er, ved at analysere forskellene i, hvad hvert øje ser. Denne proces er kendt som Stereopsis.
Fordi vores hjerner kun kan se pseudo-3D, kan filmskabere bruge denne proces til at skabe illusionen om tre dimensioner uden at ty til hologrammer. Alle 3D-film fungerer ved at levere to billeder, et til hvert øje. I 1950'erne var polarisering blevet den dominerende metode til billedadskillelse. Teatre begyndte at have to projektorer kørende samtidigt med en lineær polarisator over hver linse.
For den nuværende generation af 3D-film er teknologien skiftet til cirkulær polarisering, som tager sig af orienteringsproblemet. Denne teknologi er i øjeblikket fremstillet af RealD og tegner sig for 90% af 3D-markedet. RealD udgav et cirkulært filter, der skifter mellem polarisering med uret og mod uret meget hurtigt, så kun én projektor bruges i stedet for to.
