Sukar untuk menentukan siapa yang pertama kali menemui cahaya terkutub. Orang purba boleh melihat tempat yang aneh dengan melihat langit ke arah tertentu. Polarisasi mempunyai banyak keanehan, memanifestasikan dirinya dalam pelbagai bidang kehidupan, dan hari ini ia menjadi subjek penyelidikan dan aplikasi besar-besaran, sebab bagi segala-galanya adalah undang-undang Malus.
Penemuan cahaya terkutub
Viking mungkin telah menggunakan polarisasi langit untuk menavigasi. Walaupun tidak, mereka pasti menemui Iceland dan batu kalsit yang indah. Spar Iceland (kalsit) dikenali walaupun pada zaman mereka, ia adalah penduduk Iceland yang dia berhutang namanya. Mineral ini pernah digunakan dalam navigasi kerana sifat optiknya yang unik. Ia memainkan peranan utama dalam penemuan moden polarisasi dan terus menjadi bahan pilihan untuk mengasingkan komponen polarisasi cahaya.
Pada tahun 1669, ahli matematik Denmark dari Universiti Copenhagen, Erasmus Bartholinus, bukan sahaja melihat cahaya berganda, tetapi juga menjalankan beberapa eksperimen, menulis memoir 60 halaman. Ini adalahialah penerangan saintifik pertama tentang kesan polarisasi, dan pengarang boleh dianggap sebagai penemu sifat cahaya yang menakjubkan ini.
Christian Huygens mengembangkan teori gelombang cahaya berdenyut, yang diterbitkan pada tahun 1690 dalam buku terkenalnya Traite de la Lumiere. Pada masa yang sama, Isaac Newton memajukan teori cahaya korpuskular dalam bukunya Opticks (1704). Pada akhirnya, kedua-duanya betul dan salah, kerana cahaya mempunyai sifat dwi (gelombang dan zarah). Namun Huygens lebih dekat dengan pemahaman moden tentang proses itu.
Pada tahun 1801, Thomas Young membuat eksperimen gangguan celah dua yang terkenal. Terbukti bahawa cahaya berkelakuan seperti gelombang, dan superposisi gelombang boleh membawa kepada kegelapan (gangguan merosakkan). Dia menggunakan teorinya untuk menerangkan perkara seperti cincin Newton dan arka pelangi ghaib. Satu kejayaan dalam sains datang beberapa tahun kemudian apabila Jung menunjukkan bahawa polarisasi adalah disebabkan oleh sifat gelombang cahaya melintang.
Etienne Louis Malus muda hidup dalam era bergolak - semasa Revolusi Perancis dan pemerintahan keganasan. Dia mengambil bahagian dengan tentera Napoleon dalam pencerobohan Mesir, serta Palestin dan Syria, di mana dia dijangkiti wabak yang membunuhnya beberapa tahun kemudian. Tetapi dia berjaya membuat sumbangan penting kepada pemahaman polarisasi. Undang-undang Malus, yang meramalkan keamatan cahaya yang dihantar melalui polarizer, telah menjadi salah satu yang paling popular pada abad ke-21 apabila mencipta skrin kristal cecair.
Sir David Brewster, penulis sains terkenal, mempelajari subjek fizik optik seperti dichroism dan spectrapenyerapan, serta subjek yang lebih popular seperti fotografi stereo. Frasa terkenal Brewster dikenali: "Semuanya lutsinar kecuali kaca".
Beliau juga memberikan sumbangan yang tidak ternilai kepada kajian cahaya:
- Undang-undang yang menerangkan "sudut polarisasi".
- Penciptaan kaleidoskop.
Brewster mengulangi eksperimen Malus untuk banyak permata dan bahan lain, menemui anomali dalam kaca dan menemui undang-undang - "Sudut Brewster". Menurutnya, “…apabila rasuk dipolarisasi, rasuk pantulan membentuk sudut tegak dengan rasuk terbias.”
Undang-undang Polarisasi Malu
Sebelum kita bercakap tentang polarisasi, kita mesti ingat dahulu tentang cahaya. Cahaya adalah gelombang, walaupun kadangkala ia adalah zarah. Tetapi dalam apa jua keadaan, polarisasi masuk akal jika kita memikirkan cahaya sebagai gelombang, sebagai garis, kerana ia bergerak dari lampu ke mata. Kebanyakan cahaya adalah kekacauan campuran gelombang cahaya yang bergetar ke semua arah. Arah ayunan ini dipanggil polarisasi cahaya. Polarizer adalah peranti yang membersihkan kekacauan ini. Ia menerima apa sahaja yang mencampurkan cahaya dan hanya membenarkan cahaya yang berayun dalam satu arah tertentu.
Rumusan Hukum Malus ialah: apabila cahaya terkutub rata rata jatuh pada penganalisis, keamatan cahaya yang dihantar oleh penganalisis adalah berkadar terus dengan kuasa dua kosinus sudut antara paksi penghantaran penganalisis dan polarizer.
Gelombang elektromagnet melintang mengandungi kedua-dua medan elektrik dan magnet, dan medan elektrik dalam gelombang cahaya adalah berserenjang dengan arah perambatan gelombang cahaya. Arah getaran cahaya ialah vektor elektrik E.
Untuk rasuk tak terkutub biasa, vektor elektrik terus menukar arahnya secara rawak apabila cahaya dilalui melalui polaroid, cahaya yang terhasil adalah satah terkutub dengan vektor elektriknya bergetar ke arah tertentu. Arah vektor pancaran yang muncul bergantung pada orientasi polaroid, dan satah polarisasi direka bentuk sebagai satah yang mengandungi vektor-E dan pancaran cahaya.
Rajah di bawah menunjukkan cahaya terkutub rata disebabkan oleh vektor menegak EI dan vektor mendatar EII.
Cahaya tidak berkutub melalui Polaroid P 1 dan kemudian melalui Polaroid P 2, membentuk sudut θ dengan y ax-s. Selepas cahaya merambat sepanjang arah x melalui Polaroid P 1, vektor elektrik yang dikaitkan dengan cahaya terkutub hanya akan bergetar di sepanjang paksi y.
Sekarang jika kita membenarkan rasuk terkutub ini melalui P 2 terkutub semula, membuat sudut θ dengan paksi y, maka jika E 0 ialah amplitud medan elektrik tuju pada P 2, maka amplitud bagi gelombang yang keluar dari P 2, akan sama dengan E 0 cosθ dan, oleh itu, keamatan pancaran yang timbul akan mengikut Hukum Malus (formula) I=I 0 cos 2 θ
di mana I 0 ialah keamatan rasuk yang muncul daripada P 2 apabila θ=0θ ialah sudut antara satah penghantaran penganalisis dan polarizer.
Contoh pengiraan keamatan cahaya
Hukum Malus: I 1=I o cos 2 (q);
di mana q ialah sudut antara arah polarisasi cahaya dan paksi penghantaran polarizer.
Cahaya tidak berkutub dengan keamatan I o=16 W/m 2 jatuh pada sepasang polarizer. Polarizer pertama mempunyai paksi penghantaran yang dijajarkan pada jarak 50[deg.] dari menegak. Polarizer kedua mempunyai paksi penghantaran yang dijajarkan pada jarak 20o dari menegak.
Ujian Hukum Malus boleh dilakukan dengan mengira betapa sengit cahaya apabila ia muncul daripada polarizer pertama:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Cahaya tidak terkutub, jadi I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intensiti cahaya daripada polarizer kedua:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Diikuti oleh Undang-undang Malus, rumusan yang mengesahkan bahawa apabila cahaya meninggalkan polarizer pertama, ia terkutub secara linear pada 50o. Sudut antara ini dan paksi penghantaran polarizer kedua ialah 30[deg.]. Oleh itu:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Kini polarisasi linear bagi pancaran cahaya dengan keamatan 16 W/m 2 jatuh pada pasangan polarizer yang sama. Arah polarisasi cahaya tuju ialah 20o dari menegak.
Intensiti cahaya yang keluar daripada polarizer pertama dan kedua. Melepasi setiap polarizer, keamatan berkurangan dengan faktor 3/4. Selepas meninggalkan polarizer pertamakeamatan ialah 163/4 =12 W/m2 dan berkurangan kepada 123/4 =9 W/m2 selepas melepasi detik.
Polarisasi undang-undang Malusia mengatakan bahawa untuk menukar cahaya dari satu arah polarisasi ke arah lain, kehilangan keamatan dikurangkan dengan menggunakan lebih banyak polarisasi.
Andaikan anda perlu memutarkan arah polarisasi sebanyak 90o.
| N, bilangan polarizer | Sudut antara polarizer berturut-turut | Saya 1 / Saya 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 |
Pengiraan Sudut Pantulan Brewster
Apabila cahaya mengenai permukaan, sebahagian cahaya dipantulkan dan sebahagian daripadanya menembusi (dibiaskan). Jumlah relatif pantulan dan pembiasan ini bergantung pada bahan yang melalui cahaya, serta sudut di mana cahaya mengenai permukaan. Terdapat sudut optimum, bergantung kepada bahan, yang membolehkan cahaya membias (menembus) sebanyak mungkin. Sudut optimum ini dikenali sebagai sudut ahli fizik Scotland David Brewster.
Kira sudutBrewster untuk cahaya putih terkutub biasa dihasilkan dengan formula:
theta=arctan (n1 / n2), di mana theta ialah sudut Brewster, dan n1 dan n2 ialah indeks biasan bagi dua media.
Untuk mengira sudut terbaik bagi penembusan cahaya maksimum melalui kaca - daripada jadual indeks biasan kita dapati bahawa indeks biasan untuk udara ialah 1.00 dan indeks biasan untuk kaca ialah 1.50.
Sudut Brewster ialah arctan (1.50 / 1.00)=arctan (1.50)=56 darjah (anggaran).
Mengira sudut cahaya terbaik untuk penembusan air maksimum. Daripada jadual indeks biasan, indeks untuk udara ialah 1.00, dan indeks biasan untuk air ialah 1.33.
Sudut Brewster ialah arctan (1.33 / 1.00)=arctan (1.33)=53 darjah (anggaran).
Penggunaan cahaya terkutub
Seorang awam yang sederhana tidak dapat membayangkan betapa intensifnya polarizer digunakan di dunia. Polarisasi cahaya undang-undang Malus mengelilingi kita di mana-mana. Sebagai contoh, perkara popular seperti cermin mata hitam Polaroid, serta penggunaan penapis polarisasi khas untuk kanta kamera. Pelbagai instrumen saintifik menggunakan cahaya terkutub yang dipancarkan oleh laser atau dengan lampu pijar terpolarisasi dan sumber pendarfluor.
Polarizer kadangkala digunakan dalam pencahayaan bilik dan pentas untuk mengurangkan silau dan memberikan pencahayaan yang lebih sekata dan sebagai cermin mata untuk memberikan deria kedalaman yang boleh dilihat pada filem 3D. Polarizer bersilang walaupundigunakan dalam sut angkasa lepas untuk mengurangkan secara drastik jumlah cahaya yang memasuki mata angkasawan semasa tidur.
Rahsia optik dalam alam semula jadi
Mengapa langit biru, matahari terbenam merah dan awan putih? Soalan-soalan ini diketahui oleh semua orang sejak zaman kanak-kanak. Undang-undang Malus dan Brewster memberikan penjelasan untuk kesan semula jadi ini. Langit kita benar-benar berwarna-warni, terima kasih kepada matahari. Cahaya putih terangnya mempunyai semua warna pelangi yang tertanam di dalamnya: merah, oren, kuning, hijau, biru, nila dan ungu. Dalam keadaan tertentu, seseorang bertemu sama ada pelangi, atau matahari terbenam, atau kelabu lewat petang. Langit berwarna biru kerana "penyebaran" cahaya matahari. Warna biru mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek dan lebih bertenaga daripada warna lain.
Akibatnya, biru diserap secara terpilih oleh molekul udara, dan kemudian dilepaskan semula ke semua arah. Warna lain kurang berselerak dan oleh itu biasanya tidak kelihatan. Matahari tengah hari berwarna kuning selepas menyerap warna birunya. Semasa matahari terbit atau terbenam, cahaya matahari masuk pada sudut yang rendah dan mesti melalui ketebalan atmosfera yang besar. Akibatnya, warna biru bertaburan secara menyeluruh, sehingga kebanyakannya diserap sepenuhnya oleh udara, hilang dan menyerakkan warna lain, terutamanya oren dan merah, mewujudkan ufuk warna yang gemilang.
Warna cahaya matahari juga bertanggungjawab untuk semua warna yang kita sukai di Bumi, sama ada warna hijau rumput atau lautan biru. Permukaan setiap objek memilih warna tertentu yang akan dipantulkannyamembezakan diri anda. Awan selalunya berwarna putih cemerlang kerana ia adalah pemantul atau penyebar yang sangat baik untuk sebarang warna. Semua warna yang dikembalikan ditambah bersama kepada putih neutral. Sesetengah bahan mencerminkan semua warna secara sekata, seperti susu, kapur dan gula.
Kepentingan sensitiviti polarisasi dalam astronomi
Sejak sekian lama, kajian hukum Malus, kesan polarisasi dalam astronomi diabaikan. Cahaya bintang hampir tidak terkutub sepenuhnya dan boleh digunakan sebagai standard. Kehadiran cahaya terpolarisasi dalam astronomi boleh memberitahu kita bagaimana cahaya dicipta. Dalam sesetengah supernova, cahaya yang dipancarkan tidak terkutub. Bergantung pada bahagian bintang yang dilihat, polarisasi yang berbeza boleh dilihat.
Maklumat tentang polarisasi cahaya dari pelbagai kawasan nebula ini boleh memberi petunjuk kepada penyelidik tentang lokasi bintang berbayang.
Dalam kes lain, kehadiran cahaya terkutub boleh mendedahkan maklumat tentang keseluruhan bahagian galaksi yang tidak kelihatan. Satu lagi penggunaan ukuran sensitif polarisasi dalam astronomi adalah untuk mengesan kehadiran medan magnet. Dengan mengkaji polarisasi bulat warna cahaya yang sangat spesifik yang terpancar daripada korona matahari, saintis telah menemui maklumat tentang kekuatan medan magnet di tempat-tempat ini.
Mikroskop optik
Mikroskop cahaya terkutub direka untuk memerhati dan mengambil gambar spesimen yang boleh dilihat melaluisifat anisotropik optik mereka. Bahan anisotropik mempunyai sifat optik yang berubah mengikut arah perambatan cahaya yang melaluinya. Untuk menyelesaikan tugas ini, mikroskop mesti dilengkapi dengan kedua-dua polarizer yang diletakkan di laluan cahaya di suatu tempat di hadapan sampel, dan penganalisis (polarizer kedua) diletakkan di laluan optik antara apertur belakang objektif dan tiub tontonan atau port kamera..
Aplikasi polarisasi dalam bioperubatan
Trend popular hari ini adalah berdasarkan fakta bahawa dalam badan kita terdapat banyak sebatian yang aktif secara optik, iaitu, ia boleh memutarkan polarisasi cahaya yang melaluinya. Pelbagai sebatian aktif optik boleh memutarkan polarisasi cahaya dalam jumlah yang berbeza dan dalam arah yang berbeza.
Sesetengah bahan kimia aktif optik hadir dalam kepekatan yang lebih tinggi pada peringkat awal penyakit mata. Pakar perubatan berpotensi menggunakan pengetahuan ini untuk mendiagnosis penyakit mata pada masa hadapan. Seseorang boleh membayangkan bahawa doktor memancarkan sumber cahaya terpolarisasi ke dalam mata pesakit dan mengukur polarisasi cahaya yang dipantulkan dari retina. Digunakan sebagai kaedah bukan invasif untuk menguji penyakit mata.
Hadiah kemodenan - skrin LCD
Jika anda melihat dengan teliti pada skrin LCD, anda akan dapati bahawa imej itu ialah susunan besar segi empat sama berwarna yang disusun dalam grid. Di dalamnya, mereka mendapati penerapan undang-undang Malus,fizik proses yang mencipta keadaan apabila setiap segi empat sama atau piksel mempunyai warna tersendiri. Warna ini adalah gabungan cahaya merah, hijau dan biru dalam setiap keamatan. Warna asas ini boleh menghasilkan semula sebarang warna yang boleh dilihat oleh mata manusia kerana mata kita adalah trichromatic.
Dengan kata lain, ia menganggarkan panjang gelombang cahaya tertentu dengan menganalisis keamatan setiap satu daripada tiga saluran warna.
Paparan mengeksploitasi kelemahan ini dengan hanya memaparkan tiga panjang gelombang yang secara terpilih menyasarkan setiap jenis reseptor. Fasa hablur cecair wujud dalam keadaan dasar, di mana molekulnya berorientasikan dalam lapisan, dan setiap lapisan seterusnya berpusing sedikit untuk membentuk corak heliks.
7-segmen paparan LCD:
- Elektrod positif.
- Elektrod negatif.
- Polarizer 2.
- Paparan.
- Polarizer 1.
- Kristal cecair.
Di sini LCD berada di antara dua plat kaca, yang dilengkapi dengan elektrod. LCD sebatian kimia lutsinar dengan "molekul berpintal" dipanggil kristal cecair. Fenomena aktiviti optik dalam sesetengah bahan kimia adalah disebabkan oleh keupayaannya untuk memutarkan satah cahaya terkutub.
Stereopsis 3D movies
Polarisasi membolehkan otak manusia memalsukan 3D dengan menganalisis perbezaan antara dua imej. Manusia tidak boleh melihat dalam 3D, mata kita hanya boleh melihat dalam 2D. Imej. Walau bagaimanapun, otak kita boleh memahami sejauh mana objek berada dengan menganalisis perbezaan dalam apa yang dilihat oleh setiap mata. Proses ini dikenali sebagai Stereopsis.
Oleh kerana otak kita hanya boleh melihat pseudo-3D, pembuat filem boleh menggunakan proses ini untuk mencipta ilusi tiga dimensi tanpa menggunakan hologram. Semua filem 3D berfungsi dengan menghantar dua foto, satu untuk setiap mata. Menjelang 1950-an, polarisasi telah menjadi kaedah dominan pemisahan imej. Teater mula mempunyai dua projektor berjalan serentak, dengan polarizer linear pada setiap kanta.
Untuk filem 3D generasi semasa, teknologi telah bertukar kepada polarisasi bulat, yang menangani masalah orientasi. Teknologi ini kini dihasilkan oleh RealD dan menyumbang 90% daripada pasaran 3D. RealD mengeluarkan penapis bulat yang bertukar antara polarisasi mengikut arah jam dan lawan jam dengan sangat cepat, jadi hanya satu projektor digunakan dan bukannya dua.
