Mahirap tukuyin kung sino ang unang nakatuklas ng polarized na liwanag. Maaaring mapansin ng mga sinaunang tao ang isang kakaibang lugar sa pamamagitan ng pagtingin sa langit sa ilang direksyon. Ang polariseysyon ay may maraming quirks, nagpapakita mismo sa iba't ibang bahagi ng buhay, at ngayon ito ay paksa ng malawakang pagsasaliksik at aplikasyon, ang dahilan ng lahat ay ang batas ng Malus.
Pagtuklas ng polarized na ilaw
Vikings ay maaaring gumamit ng sky polarization upang mag-navigate. Kahit na hindi nila ginawa, tiyak na natagpuan nila ang Iceland at ang kahanga-hangang calcite stone. Ang Icelandic spar (calcite) ay kilala kahit sa kanilang mga panahon, ito ay ang mga naninirahan sa Iceland kung saan utang niya ang kanyang pangalan. Ang mineral ay dating ginamit sa pag-navigate dahil sa kakaibang optical properties nito. Malaki ang naging papel nito sa modernong pagtuklas ng polarization at patuloy na napiling materyal para sa paghihiwalay ng mga bahagi ng polarization ng liwanag.
Noong 1669, ang Danish na mathematician mula sa Unibersidad ng Copenhagen na si Erasmus Bartholinus, ay hindi lamang nakakita ng dobleng liwanag, ngunit nagsagawa din ng ilang mga eksperimento, na nagsusulat ng 60-pahinang talaarawan. Ito ayay ang unang siyentipikong paglalarawan ng epekto ng polarization, at ang may-akda ay maaaring ituring na ang nakatuklas ng kamangha-manghang katangian ng liwanag na ito.
Christian Huygens ang bumuo ng pulsed wave theory of light, na inilathala niya noong 1690 sa kanyang sikat na aklat na Traite de la Lumiere. Kasabay nito, isinulong ni Isaac Newton ang corpuscular theory of light sa kanyang aklat na Opticks (1704). Sa huli, pareho ang tama at mali, dahil ang liwanag ay may dalawahang katangian (alon at butil). Gayunpaman, mas malapit si Huygens sa modernong pag-unawa sa proseso.
Noong 1801, ginawa ni Thomas Young ang sikat na double slit interference experiment. Napatunayan na ang liwanag ay kumikilos tulad ng mga alon, at ang superposisyon ng mga alon ay maaaring humantong sa kadiliman (mapanirang interference). Ginamit niya ang kanyang teorya upang ipaliwanag ang mga bagay tulad ng Newton's rings at supernatural rainbow arcs. Ang isang pambihirang tagumpay sa agham ay dumating pagkalipas ng ilang taon nang ipakita ni Jung na ang polarization ay dahil sa transverse wave nature ng liwanag.
Ang batang si Etienne Louis Malus ay nabuhay sa isang magulong panahon - sa panahon ng Rebolusyong Pranses at sa paghahari ng terorismo. Nakibahagi siya kasama ng hukbo ni Napoleon sa pagsalakay sa Ehipto, gayundin sa Palestine at Syria, kung saan natamo niya ang salot na pumatay sa kanya makalipas ang ilang taon. Ngunit nagawa niyang gumawa ng mahalagang kontribusyon sa pag-unawa sa polariseysyon. Ang batas ni Malus, na hinulaang ang intensity ng liwanag na ipinadala sa pamamagitan ng polarizer, ay naging isa sa pinakasikat sa ika-21 siglo nang lumikha ng mga liquid crystal na screen.
Si Sir David Brewster, kilalang manunulat ng agham, ay nag-aral ng mga asignaturang optical physics gaya ng dichroism at spectrapagsipsip, pati na rin ang mga mas sikat na paksa gaya ng stereo photography. Ang sikat na parirala ni Brewster ay kilala: "Everything is transparent except glass".
Nagbigay din siya ng napakahalagang kontribusyon sa pag-aaral ng liwanag:
- Ang batas na naglalarawan sa "polarization angle".
- Pag-imbento ng kaleidoscope.
Brewster inulit ang mga eksperimento ni Malus para sa maraming hiyas at iba pang materyales, natuklasan ang isang anomalya sa salamin, at natuklasan ang batas - "Brewster's angle". Ayon sa kanya, “…kapag ang beam ay polarized, ang reflected beam ay bumubuo ng tamang anggulo sa refracted beam.”
Malus Polarization Law
Bago natin pag-usapan ang tungkol sa polarization, kailangan muna nating tandaan ang tungkol sa liwanag. Ang liwanag ay isang alon, bagaman kung minsan ito ay isang butil. Ngunit sa anumang kaso, ang polarization ay may katuturan kung iisipin natin ang liwanag bilang isang alon, bilang isang linya, habang ito ay naglalakbay mula sa lampara patungo sa mga mata. Karamihan sa liwanag ay halo-halong gulo ng mga light wave na nag-vibrate sa lahat ng direksyon. Ang direksyong ito ng oscillation ay tinatawag na polarization ng liwanag. Ang polarizer ay ang aparato na naglilinis ng gulo na ito. Tumatanggap ito ng anumang bagay na naghahalo ng liwanag at pumapasok lamang sa liwanag na umuusad sa isang partikular na direksyon.
Ang pagbabalangkas ng Batas ni Malus ay: kapag ang isang ganap na flat polarized na ilaw ay bumagsak sa analyzer, ang intensity ng liwanag na ipinadala ng analyzer ay direktang proporsyonal sa square ng cosine ng anggulo sa pagitan ng mga transmission ax ng analyzer at ang polarizer.
Ang transverse electromagnetic wave ay naglalaman ng parehong electric at magnetic field, at ang electric field sa isang light wave ay patayo sa direksyon ng light wave propagation. Ang direksyon ng light vibration ay ang electric vector E.
Para sa isang ordinaryong unpolarized beam, ang electric vector ay patuloy na nagbabago ng direksyon nito nang random kapag ang ilaw ay dumaan sa isang polaroid, ang nagreresultang liwanag ay plane polarized na ang electric vector nito ay nagvibrate sa isang partikular na direksyon. Ang direksyon ng umuusbong na beam vector ay nakasalalay sa oryentasyon ng polaroid, at ang plane ng polarization ay idinisenyo bilang isang eroplanong naglalaman ng E-vector at ang light beam.
Ang figure sa ibaba ay nagpapakita ng flat polarized light dahil sa vertical vector EI at horizontal vector EII.
Unpolarized na ilaw ay dumadaan sa isang Polaroid P 1 at pagkatapos ay sa isang Polaroid P 2, na bumubuo ng isang anggulo θ na may y ax-s. Pagkatapos na dumaan ang liwanag sa kahabaan ng x na direksyon sa Polaroid P 1, ang elektrikal na vector na nauugnay sa polarized na ilaw ay magvi-vibrate lang sa kahabaan ng y axis.
Ngayon kung hahayaan nating dumaan muli ang polarized beam na ito sa polarized P 2, na gumagawa ng isang anggulo θ sa y axis, kung gayon kung ang E 0 ay ang amplitude ng insidente ng electric field sa P 2, kung gayon ang amplitude ng ang wave na lalabas sa P 2, ay magiging katumbas ng E 0 cosθ at, samakatuwid, ang intensity ng emerging beam ay magiging ayon sa Malus Law (formula) I=I 0 cos 2 θ
kung saan ang I 0 ay ang intensity ng beam na lumalabas mula sa P 2 kapag θ=0Ang θ ay ang anggulo sa pagitan ng mga transmission plane ng analyzer at polarizer.
Halimbawa ng pagkalkula ng light intensity
Batas ni Malus: I 1=I o cos 2 (q);
kung saan ang q ay ang anggulo sa pagitan ng direksyon ng light polarization at ng polarizer transmission axis.
Unpolarized na ilaw na may intensity I o=16 W/m 2 ay bumaba sa isang pares ng polarizer. Ang unang polarizer ay may transmission axis na nakahanay sa layo na 50[deg.] mula sa patayo. Ang pangalawang polarizer ay may transmission axis na naka-align sa layong 20o mula sa vertical.
Maaaring gawin ang isang pagsubok sa Batas ni Malus sa pamamagitan ng pagkalkula kung gaano katindi ang liwanag kapag lumabas ito mula sa unang polarizer:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Hindi polarized ang ilaw, kaya I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intensity ng liwanag mula sa pangalawang polarizer:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Sinusundan ng Malus Law, ang pormulasyon nito ay nagpapatunay na kapag umalis ang liwanag sa unang polarizer, ito ay linearly polarized sa 50o. Ang anggulo sa pagitan nito at ng transmission axis ng pangalawang polarizer ay 30[deg.]. Samakatuwid:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Ngayon ang linear polarization ng isang sinag ng liwanag na may intensity na 16 W/m 2 ay nahuhulog sa parehong pares ng mga polarizer. Ang direksyon ng polarization ng ilaw ng insidente ay 20o mula sa patayo.
Intensity ng liwanag na lumalabas sa una at pangalawang polarizer. Ang pagpasa sa bawat polarizer, ang intensity ay bumababa ng isang kadahilanan ng 3/4. Pagkatapos umalis sa unang polarizerang intensity ay 163/4 =12 W/m2 at bumababa sa 123/4 =9 W/m2 pagkatapos maipasa ang pangalawa.
Sinasabi ng polarization ng batas ng Malusian na upang i-on ang liwanag mula sa isang direksyon ng polarization patungo sa isa pa, ang pagkawala ng intensity ay nababawasan sa pamamagitan ng paggamit ng higit pang mga polarizer.
Ipagpalagay na kailangan mong i-rotate ang direksyon ng polarization ng 90o.
| N, bilang ng mga polarizer | Anggulo sa pagitan ng magkakasunod na polarizer | 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 |
Pagkalkula ng Brewster Reflection Angle
Kapag ang liwanag ay tumama sa isang ibabaw, ang ilan sa liwanag ay naaaninag at ang ilan ay tumatagos (na-refracted). Ang relatibong halaga ng pagmuni-muni at repraksyon na ito ay nakasalalay sa mga sangkap na dumadaan sa liwanag, pati na rin ang anggulo kung saan tumama ang liwanag sa ibabaw. Mayroong pinakamainam na anggulo, depende sa mga sangkap, na nagpapahintulot sa liwanag na mag-refract (tumagos) hangga't maaari. Ang pinakamainam na anggulong ito ay kilala bilang anggulo ng Scottish physicist na si David Brewster.
Kalkulahin ang angguloAng Brewster para sa ordinaryong polarized white light ay ginawa ng formula:
theta=arctan (n1 / n2), kung saan ang theta ay ang anggulo ng Brewster, at ang n1 at n2 ay ang mga refractive na indeks ng dalawang media.
Upang kalkulahin ang pinakamagandang anggulo para sa maximum na pagpasok ng liwanag sa salamin - mula sa talahanayan ng refractive index, nakita namin na ang refractive index para sa hangin ay 1.00 at ang refractive index para sa salamin ay 1.50.
Ang anggulo ng Brewster ay magiging arctan (1.50 / 1.00)=arctan (1.50)=56 degrees (tinatayang).
Pagkalkula ng pinakamahusay na anggulo ng liwanag para sa maximum na pagtagos ng tubig. Mula sa talahanayan ng mga refractive index, sumusunod na ang index para sa hangin ay 1.00, at ang refractive index para sa tubig ay 1.33.
Ang anggulo ng Brewster ay magiging arctan (1.33 / 1.00)=arctan (1.33)=53 degrees (tinatayang).
Paggamit ng polarized na ilaw
Hindi maisip ng isang simpleng layko kung gaano kalakas ang paggamit ng mga polarizer sa mundo. Ang polarisasyon ng liwanag ng batas ng Malus ay pumapalibot sa amin sa lahat ng dako. Halimbawa, ang mga sikat na bagay tulad ng mga salaming pang-araw ng Polaroid, pati na rin ang paggamit ng mga espesyal na polarizing filter para sa mga lente ng camera. Gumagamit ang iba't ibang pang-agham na instrumento ng polarized na ilaw na ibinubuga ng mga laser o ng mga polarizing incandescent lamp at fluorescent na pinagmumulan.
Ang mga polarizer ay minsan ginagamit sa pag-iilaw sa kwarto at entablado upang mabawasan ang liwanag na nakasisilaw at magbigay ng higit na pantay na liwanag at bilang mga salamin upang magbigay ng nakikitang kahulugan ng lalim sa mga 3D na pelikula. Naka-cross polarizer kahit naginagamit sa mga space suit para mabawasan nang husto ang dami ng liwanag na pumapasok sa mga mata ng astronaut habang natutulog.
Mga lihim ng optika sa kalikasan
Bakit asul na langit, pulang paglubog ng araw at puting ulap? Ang mga tanong na ito ay alam ng lahat mula pagkabata. Ang mga batas ng Malus at Brewster ay nagbibigay ng mga paliwanag para sa mga natural na epektong ito. Talagang makulay ang ating langit, salamat sa araw. Ang maliwanag na puting liwanag nito ay mayroong lahat ng kulay ng bahaghari na naka-embed sa loob: pula, orange, dilaw, berde, asul, indigo at violet. Sa ilang partikular na kundisyon, ang isang tao ay nakakatugon sa alinman sa isang bahaghari, o isang paglubog ng araw, o isang kulay-abo na hating gabi. Asul ang langit dahil sa "pagkalat" ng sikat ng araw. Ang kulay asul ay may mas maikling wavelength at mas maraming enerhiya kaysa sa iba pang mga kulay.
Bilang resulta, ang asul ay piling hinihigop ng mga molekula ng hangin, at pagkatapos ay ilalabas muli sa lahat ng direksyon. Ang iba pang mga kulay ay hindi gaanong nakakalat at samakatuwid ay karaniwang hindi nakikita. Ang araw ng tanghali ay dilaw pagkatapos masipsip ang kulay asul nito. Sa pagsikat o paglubog ng araw, ang sikat ng araw ay pumapasok sa isang mababang anggulo at dapat dumaan sa isang malaking kapal ng atmospera. Bilang resulta, ang asul na kulay ay lubusang nakakalat, upang ang karamihan sa mga ito ay ganap na hinihigop ng hangin, nawala at nagkakalat ng iba pang mga kulay, lalo na ang mga kahel at pula, na lumilikha ng isang maluwalhating kulay na abot-tanaw.
Ang mga kulay ng sikat ng araw ay may pananagutan din sa lahat ng kulay na gusto natin sa Earth, ito man ay berdeng damo o turquoise na karagatan. Pinipili ng ibabaw ng bawat bagay ang mga partikular na kulay na ipapakita nito upangmakilala ang iyong sarili. Ang mga ulap ay madalas na matingkad na puti dahil sila ay mahusay na mga reflector o diffuser ng anumang kulay. Ang lahat ng ibinalik na kulay ay idinagdag sa neutral na puti. Ang ilang mga materyales ay nagpapakita ng lahat ng mga kulay nang pantay-pantay, tulad ng gatas, chalk, at asukal.
Ang kahalagahan ng polarization sensitivity sa astronomy
Sa mahabang panahon, ang pag-aaral ng batas ni Malus, ang epekto ng polarization sa astronomy ay hindi pinansin. Ang liwanag ng bituin ay halos ganap na hindi napolarize at maaaring gamitin bilang pamantayan. Ang pagkakaroon ng polarized na liwanag sa astronomy ay maaaring sabihin sa amin kung paano nilikha ang liwanag. Sa ilang mga supernovae, ang ilaw na ibinubuga ay hindi unpolarized. Depende sa bahagi ng star na tinitingnan, ibang polarization ang makikita.
Ang impormasyong ito tungkol sa polarization ng liwanag mula sa iba't ibang rehiyon ng nebula ay maaaring magbigay sa mga mananaliksik ng mga pahiwatig sa lokasyon ng may anino na bituin.
Sa ibang mga kaso, ang pagkakaroon ng polarized na liwanag ay maaaring magbunyag ng impormasyon tungkol sa buong bahagi ng invisible na kalawakan. Ang isa pang paggamit ng polarization-sensitive na mga sukat sa astronomy ay upang makita ang pagkakaroon ng mga magnetic field. Sa pamamagitan ng pag-aaral sa pabilog na polarisasyon ng napakaspesipikong mga kulay ng liwanag na nagmumula sa korona ng araw, natuklasan ng mga siyentipiko ang impormasyon tungkol sa lakas ng magnetic field sa mga lugar na ito.
Optical microscopy
Ang polarized light microscope ay idinisenyo upang obserbahan at kunan ng larawan ang mga specimen na nakikita sa pamamagitan ngang kanilang optically anisotropic na kalikasan. Ang mga anisotropic na materyales ay may mga optical na katangian na nagbabago sa direksyon ng pagpapalaganap ng liwanag na dumadaan sa kanila. Upang maisakatuparan ang gawaing ito, ang mikroskopyo ay dapat na nilagyan ng parehong polarizer na nakalagay sa liwanag na landas sa isang lugar sa harap ng sample, at isang analyzer (pangalawang polarizer) na inilagay sa optical path sa pagitan ng layunin sa likurang siwang at ng mga viewing tube o camera port..
Paglalapat ng polarization sa biomedicine
Ang tanyag na kalakaran ngayon ay batay sa katotohanan na sa ating mga katawan ay maraming mga compound na optically active, iyon ay, maaari nilang paikutin ang polarization ng liwanag na dumadaan sa kanila. Maaaring paikutin ng iba't ibang optically active compound ang polarization ng liwanag sa iba't ibang dami at sa iba't ibang direksyon.
Ang ilang mga optically active na kemikal ay nasa mas mataas na konsentrasyon sa mga unang yugto ng sakit sa mata. Maaaring gamitin ng mga doktor ang kaalamang ito upang masuri ang mga sakit sa mata sa hinaharap. Maaaring isipin ng isang tao na ang doktor ay nagliliwanag ng isang polarized na pinagmumulan ng liwanag sa mata ng pasyente at sinusukat ang polariseysyon ng liwanag na makikita mula sa retina. Ginamit bilang isang non-invasive na paraan para sa pagsusuri ng sakit sa mata.
Ang regalo ng modernity - LCD screen
Kung titingnan mong mabuti ang LCD screen, mapapansin mo na ang larawan ay isang malaking hanay ng mga kulay na parisukat na nakaayos sa isang grid. Sa kanila, natagpuan nila ang paggamit ng batas ng Malus,ang pisika ng proseso na lumikha ng mga kundisyon kapag ang bawat parisukat o pixel ay may sariling kulay. Ang kulay na ito ay kumbinasyon ng pula, berde at asul na liwanag sa bawat intensity. Ang mga pangunahing kulay na ito ay maaaring magparami ng anumang kulay na nakikita ng mata ng tao dahil ang ating mga mata ay trichromatic.
Sa madaling salita, tinatantya nila ang mga partikular na wavelength ng liwanag sa pamamagitan ng pagsusuri sa intensity ng bawat isa sa tatlong color channel.
Nasasamantalahan ng mga display ang pagkukulang na ito sa pamamagitan lamang ng pagpapakita ng tatlong wavelength na piling nagta-target sa bawat uri ng receptor. Ang liquid crystal phase ay umiiral sa ground state, kung saan ang mga molekula ay naka-orient sa mga layer, at ang bawat kasunod na layer ay bahagyang umiikot upang bumuo ng isang helical pattern.
7-segment na LCD display:
- Positive electrode.
- Negative electrode.
- Polarizer 2.
- Display.
- Polarizer 1.
- Liquid crystal.
Narito ang LCD ay nasa pagitan ng dalawang glass plate, na nilagyan ng mga electrodes. Mga LCD ng mga transparent na kemikal na compound na may "twisted molecules" na tinatawag na liquid crystals. Ang phenomenon ng optical activity sa ilang kemikal ay dahil sa kanilang kakayahang paikutin ang plane ng polarized light.
Stereopsis 3D na pelikula
Ang
Polarization ay nagbibigay-daan sa utak ng tao na gumawa ng pekeng 3D sa pamamagitan ng pagsusuri sa mga pagkakaiba sa pagitan ng dalawang larawan. Ang mga tao ay hindi nakakakita sa 3D, ang ating mga mata ay nakakakita lamang sa 2D. Mga larawan. Gayunpaman, ang ating utak ay maaaring magkaroon ng kahulugan kung gaano kalayo ang mga bagay sa pamamagitan ng pagsusuri sa mga pagkakaiba sa kung ano ang nakikita ng bawat mata. Ang prosesong ito ay kilala bilang Stereopsis.
Dahil pseudo-3D lang ang nakikita ng ating utak, magagamit ng mga filmmaker ang prosesong ito para lumikha ng ilusyon ng tatlong dimensyon nang hindi gumagamit ng mga hologram. Gumagana ang lahat ng 3D na pelikula sa pamamagitan ng paghahatid ng dalawang larawan, isa para sa bawat mata. Noong 1950s, ang polariseysyon ay naging nangingibabaw na paraan ng paghihiwalay ng imahe. Ang mga sinehan ay nagsimulang magkaroon ng dalawang projector na tumatakbo nang sabay-sabay, na may linear polarizer sa bawat lens.
Para sa kasalukuyang henerasyon ng mga 3D na pelikula, lumipat ang teknolohiya sa circular polarization, na umaasikaso sa problema sa oryentasyon. Ang teknolohiyang ito ay kasalukuyang ginawa ng RealD at bumubuo ng 90% ng 3D market. Naglabas ang RealD ng pabilog na filter na napakabilis na nagpalipat-lipat sa pagitan ng clockwise at counter-clockwise na polarization, kaya isang projector lang ang ginagamit sa halip na dalawa.
