Teško je izdvojiti ko je prvi otkrio polariziranu svjetlost. Drevni ljudi su mogli uočiti neobično mjesto gledajući u nebo u određenim smjerovima. Polarizacija ima mnogo čuda, manifestuje se u različitim oblastima života, a danas je predmet masovnog istraživanja i primene, razlog svemu je Malusov zakon.
Otkriće polarizirane svjetlosti
Vikinzi su možda koristili polarizaciju neba za navigaciju. Čak i da nisu, definitivno su pronašli Island i divni 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 veliku ulogu u modernom otkriću polarizacije i nastavlja da bude materijal izbora za odvajanje polarizacionih komponenti svjetlosti.
Godine 1669, danski matematičar sa Univerziteta u Kopenhagenu, Erasmus Bartholinus, ne samo da je ugledao dvostruko svjetlo, već je izveo i neke eksperimente, napisavši memoare od 60 stranica. Ovo jebio je prvi naučni opis efekta polarizacije, a autor se može smatrati otkrićem ovog neverovatnog svojstva svetlosti.
Christian Huygens je razvio teoriju pulsnog talasa svetlosti, koju je objavio 1690. godine u svojoj čuvenoj knjizi Traite de la Lumiere. U isto vrijeme, Isaac Newton je unaprijedio korpuskularnu teoriju svjetlosti u svojoj knjizi Opticks (1704). Na kraju su i jedni i drugi bili u pravu i u krivu, jer svjetlost ima dvostruku prirodu (val i čestica). Ipak, Huygens je bio bliži modernom razumijevanju procesa.
Godine 1801. Thomas Young je napravio poznati eksperiment interferencije sa dvostrukim prorezom. Dokazano je da se svjetlost ponaša kao valovi, a superpozicija valova može dovesti do tame (destruktivne interferencije). Koristio je svoju teoriju da objasni stvari poput Njutnovih prstenova i natprirodnih duginih lukova. Proboj u nauku je uslijedio nekoliko godina kasnije kada je Jung pokazao da je polarizacija posljedica poprečne talasne prirode svjetlosti.
Mladi Etienne Louis Malus živio je u turbulentnoj eri - tokom Francuske revolucije i vladavine terora. Učestvovao je sa Napoleonovom vojskom u invaziji Egipta, kao i Palestine i Sirije, gdje je zaražen kugom koja ga je ubila nekoliko godina kasnije. Ali uspio je dati važan doprinos razumijevanju polarizacije. Malusov zakon, koji je predviđao intenzitet svetlosti koja se prenosi kroz polarizator, postao je jedan od najpopularnijih u 21. veku pri kreiranju ekrana od tečnih kristala.
Sir David Brewster, poznati naučni pisac, proučavao je predmete optičke fizike kao što su dikroizam i spektriapsorpciju, kao i popularnije teme kao što je stereo fotografija. Poznata je Brewsterova poznata fraza: "Sve je prozirno osim stakla".
On je takođe dao neprocenjiv doprinos proučavanju svetlosti:
- Zakon koji opisuje "polarizacijski ugao".
- Izum kaleidoskopa.
Brewster je ponovio Malusove eksperimente za mnoge dragulje i druge materijale, otkrivši anomaliju u staklu, i otkrio zakon - "Brewsterov ugao". Prema njemu, "…kada je snop polarizovan, reflektovani snop formira pravi ugao sa prelomljenim snopom."
Zakon Malus polarizacije
Prije nego što govorimo o polarizaciji, prvo se moramo sjetiti svjetlosti. Svetlost je talas, iako je ponekad čestica. Ali u svakom slučaju, polarizacija ima smisla ako o svjetlosti razmišljamo kao o talasu, kao liniji, dok putuje od lampe do očiju. Većina svjetlosti je mješoviti nered svjetlosnih valova koji vibriraju u svim smjerovima. Ovaj smjer oscilovanja naziva se polarizacija svjetlosti. Polarizator je uređaj koji čisti ovaj nered. Prihvata sve što miješa svjetlost i propušta samo svjetlost koja oscilira u jednom određenom smjeru.
Formulacija Malusovog zakona glasi: kada potpuno ravna polarizirana svjetlost padne na analizator, intenzitet svjetlosti koju emituje analizator je direktno proporcionalan kvadratu kosinusa ugla između transmisionih osa analizatora i polarizator.
Poprečni elektromagnetski talas sadrži i električno i magnetsko polje, a električno polje u svetlosnom talasu je okomito na smer prostiranja svetlosnog talasa. Smjer svjetlosne vibracije je električni vektor E.
Za obični nepolarizovani snop, električni vektor nastavlja nasumično mijenjati svoj smjer kada svjetlost prolazi kroz polaroid, rezultirajuća svjetlost je ravno polarizirana sa električnim vektorom koji vibrira u određenom smjeru. Pravac vektora izlaznog snopa zavisi od orijentacije polaroida, a ravan polarizacije je dizajnirana kao ravan koja sadrži E-vektor i svetlosni snop.
Slika ispod prikazuje ravnu polariziranu svjetlost zbog vertikalnog vektora EI i horizontalnog vektora EII.
Nepolarizovana svetlost prolazi kroz Polaroid P 1, a zatim kroz Polaroid P 2, formirajući ugao θ sa y ax-s. Nakon što svjetlost koja se širi duž x smjera prođe kroz Polaroid P 1, električni vektor povezan s polariziranom svjetlošću će samo vibrirati duž y ose.
Sada, ako dozvolimo da ovaj polarizovani snop ponovo prođe kroz polarizovani P 2, praveći ugao θ sa y osom, onda ako je E 0 amplituda upadnog električnog polja na P 2, onda je amplituda talas koji izlazi iz P 2, biće jednak E 0 cosθ i, prema tome, intenzitet izlaznog snopa 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 ugao između transmisionih ravni analizatora i polarizatora.
Primjer proračuna intenziteta svjetlosti
Malusov zakon: I 1=I o cos 2 (q);
gdje je q ugao između smjera polarizacije svjetlosti i ose prijenosa polarizatora.
Nepolarizovana svetlost intenziteta I o=16 W/m 2 pada na par polarizatora. Prvi polarizator ima transmisionu osu poravnatu na udaljenosti od 50° od vertikale. Drugi polarizator ima osovinu prijenosa poravnatu na udaljenosti od 20o od vertikale.
Test Malusovog zakona može se uraditi izračunavanjem koliko je intenzivna svjetlost kada izađe iz prvog polarizatora:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Svjetlo nije polarizirano, tako da 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. Ugao između ove i transmisione ose drugog polarizatora je 30°. Stoga:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Sada linearna polarizacija snopa svjetlosti sa 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 za okretanje svjetlosti iz jednog smjera polarizacije u drugi, gubitak intenziteta se 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 ugla Brewsterove refleksije
Kada svjetlost udari u površinu, dio svjetlosti se reflektira, a dio prodire (prelama). Relativna količina ove refleksije i refrakcije zavisi od supstanci koje prolaze kroz svetlost, kao i od ugla pod kojim svetlost pada na površinu. Postoji optimalan ugao, u zavisnosti od supstanci, koji omogućava svetlosti da se prelama (prodira) što je više moguće. Ovaj optimalni ugao je poznat kao ugao škotskog fizičara Davida Brewstera.
Izračunajte ugaoBrewster za obično polarizirano bijelo svjetlo proizvodi se po formuli:
theta=arktan (n1 / n2), gdje je theta Brewsterov ugao, a n1 i n2 su indeksi prelamanja dva medija.
Za izračunavanje najboljeg ugla za maksimalno prodiranje svjetlosti kroz staklo - iz tabele indeksa refrakcije nalazimo da je indeks loma zraka 1,00, a indeks loma stakla 1,50.
Brusterov ugao bi bio arktan (1,50 / 1,00)=arktan (1,50)=56 stepeni (približno).
Izračunavanje najboljeg ugla svjetlosti za maksimalan prodor vode. Iz tabele indeksa prelamanja proizilazi da je indeks za zrak 1,00, a indeks loma za vodu 1,33.
Brusterov ugao bi bio arktan (1,33 / 1,00)=arktan (1,33)=53 stepena (približno).
Upotreba polariziranog svjetla
Prost laik ne može ni zamisliti koliko se polarizatori intenzivno koriste u svijetu. Polarizacija svjetlosti Malusovog zakona okružuje nas posvuda. Na primjer, popularne stvari kao što su Polaroid sunčane naočale, kao i korištenje posebnih polarizacijskih filtera za objektive fotoaparata. Različiti naučni instrumenti koriste polarizovanu svetlost koju emituju laseri ili polarizovane lampe sa žarnom niti i fluorescentni izvori.
Polarizatori se ponekad koriste u rasvjeti prostorija i pozornice kako bi se smanjio odsjaj i pružio ravnomjernije osvjetljenje i kao naočale da daju vidljiv osjećaj dubine 3D filmovima. Ukršteni polarizatori čakkoristi se u svemirskim odijelima kako bi se drastično smanjila količina 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 efekte. Naše nebo je zaista šareno, zahvaljujući suncu. Njegovo jarko bijelo svjetlo sadrži sve dugine boje: crvenu, narandžastu, žutu, zelenu, plavu, indigo i ljubičastu. Pod određenim uslovima, čovek se susreće ili sa dugom, ili sa zalaskom sunca, ili sa sivom kasnom večerom. Nebo je plavo zbog "rasipanja" sunčeve svetlosti. Plava boja ima kraću talasnu dužinu i više energije od ostalih boja.
Kao rezultat, plavu boju selektivno apsorbiraju molekuli zraka, a zatim ponovo oslobađaju u svim smjerovima. Ostale boje su manje rasute 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 uglom i mora proći kroz veliku debljinu atmosfere. Kao rezultat toga, plava boja se temeljito raspršuje, tako da se veći dio potpuno apsorbira u zraku, gubi se i raspršuje druge boje, posebno narandžastu i crvenu, stvarajući veličanstven horizont boja.
Boje sunčeve svetlosti su takođe odgovorne za sve nijanse koje volimo na Zemlji, bilo da je zelena trava ili tirkizni okean. Površina svakog objekta odabire određene boje koje će reflektiratirazlikovati se. Oblaci su često briljantno bijeli jer su odlični reflektori ili difuzori bilo koje boje. Sve vraćene boje se sabiraju u neutralnu bijelu. Neki materijali ravnomjerno odražavaju sve boje, kao što su mlijeko, kreda i šećer.
Važnost polarizacijske osjetljivosti u astronomiji
Dugo vremena, proučavanjem Malusovog zakona, efekat polarizacije u astronomiji je bio ignorisan. Starlight je skoro potpuno nepolarizovan i može se koristiti kao standard. Prisustvo polarizirane svjetlosti u astronomiji može nam reći kako je svjetlost nastala. U nekim supernovama, emitirana svjetlost nije nepolarizirana. U zavisnosti od dela zvezde koji se posmatra, može se videti različita polarizacija.
Ova informacija o polarizaciji svjetlosti iz različitih regija magline mogla bi istraživačima dati tragove o lokaciji zasjenjene zvijezde.
U drugim slučajevima, prisustvo polarizovane svetlosti može otkriti informacije o čitavom delu nevidljive galaksije. Druga upotreba mjerenja osjetljivih na polarizaciju u astronomiji je otkrivanje prisustva magnetnih polja. Proučavajući kružnu polarizaciju vrlo specifičnih boja svjetlosti koja emituje iz korone sunca, naučnici su otkrili informacije o jačini magnetnog polja na ovim mjestima.
Optička mikroskopija
Polarizovani svetlosni mikroskop je dizajniran da posmatra i fotografiše uzorke 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 postavljenim na svjetlosnoj putanji negdje ispred uzorka i analizatorom (drugim polarizatorom) postavljenim na optičkoj putanji između stražnjeg otvora objektiva i cijevi za gledanje ili porta kamere..
Primjena polarizacije u biomedicini
Ovaj popularni trend danas se zasniva na činjenici da u našim tijelima ima mnogo spojeva koji su optički aktivni, odnosno mogu rotirati polarizaciju svjetlosti koja prolazi kroz njih. Različita optički aktivna jedinjenja mogu rotirati polarizaciju svjetlosti u različitim količinama iu različitim smjerovima.
Neke optički aktivne hemikalije prisutne su u većim koncentracijama u ranim stadijumima bolesti oka. Ljekari bi potencijalno mogli koristiti ovo znanje za dijagnosticiranje očnih bolesti u budućnosti. Može se zamisliti da doktor obasjava polarizovan izvor svetlosti u pacijentovo oko i meri polarizaciju svetlosti koja se reflektuje od mrežnjače. Koristi se kao neinvazivna metoda za testiranje očnih bolesti.
Poklon modernosti - LCD ekran
Ako pažljivo pogledate LCD ekran, primijetit ćete da je slika veliki niz obojenih kvadrata raspoređenih u mrežu. U njima su našli primenu Malusovog zakona,fizika procesa koji je stvorio uslove 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 specifične talasne dužine svjetlosti analizirajući intenzitet svakog od tri kanala boja.
Displeji iskorištavaju ovaj nedostatak tako što prikazuju samo tri talasne dužine koje selektivno ciljaju svaki tip receptora. Faza tečnog kristala postoji u osnovnom stanju, u kojem su molekuli orijentirani u slojevima, a svaki sljedeći sloj se lagano uvija da formira spiralni uzorak.
7-segmentni LCD ekran:
- Pozitivna elektroda.
- Negativna elektroda.
- Polarizer 2.
- Display.
- Polarizator 1.
- Tečni kristal.
Ovde se LCD nalazi između dve staklene ploče, koje su opremljene elektrodama. LCD ekrani prozirnih hemijskih jedinjenja sa "uvrnutim molekulima" zvanim tečni kristali. Fenomen optičke aktivnosti kod nekih hemikalija je posledica njihove sposobnosti da rotiraju ravan polarizovane svetlosti.
Stereopsis 3D filmovi
Polarizacija omogućava 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 da stvore iluziju tri dimenzije bez pribjegavanja hologramima. Svi 3D filmovi rade tako što isporučuju dvije fotografije, po jednu za svako oko. Do 1950-ih, polarizacija je postala dominantna metoda razdvajanja slika. Pozorišta su počela da imaju dva projektora koja rade istovremeno, sa linearnim polarizatorom preko svakog sočiva.
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 filter koji se vrlo brzo prebacuje između polarizacije u smjeru kazaljke na satu i obrnuto, tako da se koristi samo jedan projektor umjesto dva.
