Het is moeilijk uit te maken wie de eerste was die gepolariseerd licht ontdekte. Oude mensen konden een eigenaardige plek opmerken door in bepaalde richtingen naar de lucht te kijken. Polarisatie heeft veel eigenaardigheden, manifesteert zich op verschillende gebieden van het leven, en tegenwoordig is het het onderwerp van massaal onderzoek en toepassing, de reden voor alles is de wet van Malus.
Ontdekking van gepolariseerd licht
Vikingen hebben mogelijk luchtpolarisatie gebruikt om te navigeren. Zelfs als ze dat niet deden, hebben ze zeker IJsland en de prachtige calcietsteen gevonden. IJslandse spar (calciet) was zelfs in hun tijd bekend; het dankt zijn naam aan de inwoners van IJsland. Het mineraal werd ooit gebruikt in de navigatie vanwege zijn unieke optische eigenschappen. Het speelde een belangrijke rol bij de moderne ontdekking van polarisatie en blijft het materiaal bij uitstek voor het scheiden van de polarisatiecomponenten van licht.
In 1669 zag de Deense wiskundige van de Universiteit van Kopenhagen, Erasmus Bartholinus, niet alleen een dubbel licht, maar voerde hij ook enkele experimenten uit en schreef hij een memoires van 60 pagina's. Dit iswas de eerste wetenschappelijke beschrijving van het polarisatie-effect, en de auteur kan worden beschouwd als de ontdekker van deze verbazingwekkende eigenschap van licht.
Christian Huygens ontwikkelde de gepulseerde golftheorie van licht, die hij in 1690 publiceerde in zijn beroemde boek Traite de la Lumiere. Tegelijkertijd ontwikkelde Isaac Newton de corpusculaire theorie van licht in zijn boek Opticks (1704). Uiteindelijk waren beide goed en fout, aangezien licht een tweeledig karakter heeft (golf en deeltje). Toch stond Huygens dichter bij het moderne begrip van het proces.
In 1801 deed Thomas Young het beroemde dubbele spleetinterferentie-experiment. Hij bewees dat licht zich als golven gedraagt en dat superpositie van golven tot duisternis kan leiden (destructieve interferentie). Hij gebruikte zijn theorie om zaken als de ringen van Newton en bovennatuurlijke regenboogbogen te verklaren. Een doorbraak in de wetenschap kwam een paar jaar later toen Jung aantoonde dat polarisatie het gevolg is van de transversale golfaard van licht.
De jonge Etienne Louis Malus leefde in een turbulent tijdperk - tijdens de Franse Revolutie en het schrikbewind. Hij nam met het leger van Napoleon deel aan de invasie van Egypte, evenals in Palestina en Syrië, waar hij de pest opliep die hem een paar jaar later doodde. Maar hij wist een belangrijke bijdrage te leveren aan het begrip van polarisatie. De wet van Malus, die de intensiteit van het licht voorspelde dat door een polarisator wordt doorgelaten, is een van de meest populaire geworden in de 21e eeuw bij het maken van schermen met vloeibare kristallen.
Sir David Brewster, bekend wetenschappelijk schrijver, studeerde optische fysica, zoals dichroïsme en spectraabsorptie, evenals meer populaire onderwerpen zoals stereofotografie. De beroemde uitdrukking van Brewster is bekend: "Alles is transparant behalve glas".
Hij heeft ook een onschatbare bijdrage geleverd aan de studie van licht:
- De wet die de "polarisatiehoek" beschrijft.
- Uitvinding van de caleidoscoop.
Brewster herhaalde Malus' experimenten voor veel edelstenen en andere materialen, ontdekte een anomalie in glas en ontdekte de wet - "Brewster's hoek". Volgens hem, "… wanneer de straal gepolariseerd is, vormt de gereflecteerde straal een rechte hoek met de gebroken straal."
Malus Polarisatiewet
Voordat we het over polarisatie hebben, moeten we eerst denken aan licht. Licht is een golf, hoewel het soms ook een deeltje is. Maar hoe dan ook, polarisatie is logisch als we licht zien als een golf, als een lijn, terwijl het van de lamp naar de ogen gaat. Het meeste licht is een mengeling van lichtgolven die in alle richtingen trillen. Deze richting van oscillatie wordt de polarisatie van licht genoemd. De polarisator is het apparaat dat deze rotzooi opruimt. Het accepteert alles wat licht vermengt en laat alleen licht door dat in een bepaalde richting oscilleert.
De formulering van de wet van Malus is: wanneer een volledig vlak gepolariseerd licht op de analysator v alt, is de intensiteit van het licht dat door de analysator wordt uitgezonden recht evenredig met het kwadraat van de cosinus van de hoek tussen de transmissie-assen van de analysator en de polarisator.
Een transversale elektromagnetische golf bevat zowel een elektrisch als een magnetisch veld, en het elektrische veld in een lichtgolf staat loodrecht op de voortplantingsrichting van de lichtgolf. De richting van de lichttrilling is de elektrische vector E.
Voor een gewone niet-gepolariseerde straal blijft de elektrische vector willekeurig van richting veranderen wanneer licht door een polaroid gaat, het resulterende licht is vlak gepolariseerd met zijn elektrische vector die in een bepaalde richting trilt. De richting van de uitkomende bundelvector hangt af van de oriëntatie van de polaroid, en het polarisatievlak is ontworpen als een vlak dat de E-vector en de lichtbundel bevat.
De onderstaande figuur toont vlak gepolariseerd licht als gevolg van de verticale vector EI en de horizontale vector EII.
Ongepolariseerd licht gaat door een Polaroid P 1 en vervolgens door een Polaroid P 2 en vormt een hoek θ met y as-s. Nadat licht dat zich in de x-richting voortplant, door de polaroid P1 is gegaan, zal de elektrische vector die bij het gepolariseerde licht hoort, alleen trillen langs de y-as.
Als we deze gepolariseerde bundel nu weer door de gepolariseerde P 2 laten gaan, een hoek θ makend met de y-as, dan als E 0 de amplitude is van het invallende elektrische veld op P 2, dan is de amplitude van de golf die uit P 2 komt, zal gelijk zijn aan E 0 cosθ en daarom zal de intensiteit van de uitkomende bundel zijn volgens de Malus-wet (formule) I=I 0 cos 2 θ
waarbij I 0 de intensiteit is van de straal die uit P 2 komt wanneer θ=0θ is de hoek tussen de transmissievlakken van de analysator en de polarisator.
Berekeningsvoorbeeld lichtintensiteit
Wet van Malus: I 1=I o cos 2 (q);
waarbij q de hoek is tussen de richting van de lichtpolarisatie en de transmissie-as van de polarisator.
Ongepolariseerd licht met intensiteit I o=16 W/m 2 v alt op een paar polarisatoren. De eerste polarisator heeft een transmissie-as die is uitgelijnd op een afstand van 50° van de verticaal. De tweede polarisator heeft de transmissie-as uitgelijnd op een afstand van 20o van de verticaal.
Een test van de wet van Malus kan worden gedaan door te berekenen hoe intens het licht is wanneer het uit de eerste polarisator komt:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Licht is niet gepolariseerd, dus I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intensiteit van het licht van de tweede polarisator:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Gevolgd door de Malus-wet, waarvan de formulering bevestigt dat wanneer licht de eerste polarisator verlaat, het lineair gepolariseerd is op 50o. De hoek tussen deze en de transmissie-as van de tweede polarisator is 30°. Daarom:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Nu v alt de lineaire polarisatie van een lichtstraal met een intensiteit van 16 W/m 2 op hetzelfde paar polarisatoren. De polarisatierichting van het invallende licht is 20o van de verticaal.
Intensiteit van het licht dat uit de eerste en tweede polarisatoren komt. Bij het passeren van elke polarisator neemt de intensiteit met een factor 3/4 af. Na het verlaten van de eerste polarisatorde intensiteit is 163/4 =12 W/m2 en neemt af tot 123/4 =9 W/m2 na het passeren van de tweede.
Malusiaanse wet polarisatie zegt dat om licht van de ene polarisatierichting naar de andere te draaien, het intensiteitsverlies wordt verminderd door meer polarisatoren te gebruiken.
Stel dat je de polarisatierichting 90 moet draaieno.
| N, aantal polarisatoren | Hoek tussen opeenvolgende polarisatoren | I 1 / ik 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 |
Berekening van de Brewster-reflectiehoek
Wanneer licht een oppervlak raakt, wordt een deel van het licht gereflecteerd en een deel dringt door (gebroken). De relatieve hoeveelheid van deze reflectie en breking hangt af van de stoffen die door het licht gaan, en ook van de hoek waaronder het licht het oppervlak raakt. Er is een optimale hoek, afhankelijk van de stoffen, waardoor het licht zoveel mogelijk kan breken (penetreren). Deze optimale hoek staat bekend als de hoek van de Schotse natuurkundige David Brewster.
Bereken de hoekBrewster voor gewoon gepolariseerd wit licht wordt geproduceerd door de formule:
theta=arctan (n1 / n2), waar theta de Brewster-hoek is, en n1 en n2 de brekingsindices van de twee media.
Om de beste hoek te berekenen voor maximale lichtpenetratie door glas - uit de brekingsindextabel vinden we dat de brekingsindex voor lucht 1,00 is en de brekingsindex voor glas 1,50 is.
De Brewster-hoek zou arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 graden (ongeveer) zijn.
De beste lichthoek berekenen voor maximale waterpenetratie. Uit de tabel met brekingsindices volgt dat de brekingsindex voor lucht 1,00 is en de brekingsindex voor water 1,33.
De Brewster-hoek zou arctan zijn (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 graden (ongeveer).
Gebruik van gepolariseerd licht
Een simpele leek kan zich niet eens voorstellen hoe intensief polarisatoren in de wereld worden gebruikt. De polarisatie van het licht van de wet van Malus omringt ons overal. Bijvoorbeeld populaire zaken als Polaroid zonnebrillen, maar ook het gebruik van speciale polarisatiefilters voor cameralenzen. Verschillende wetenschappelijke instrumenten gebruiken gepolariseerd licht dat wordt uitgestraald door lasers of door polariserende gloeilampen en fluorescerende bronnen.
Polarisers worden soms gebruikt in kamer- en toneelverlichting om schittering te verminderen en meer gelijkmatige verlichting te bieden en als bril om een zichtbaar gevoel van diepte te geven aan 3D-films. Gekruiste polarisatoren zelfsgebruikt in ruimtepakken om de hoeveelheid licht die in de ogen van een astronaut komt tijdens het slapen drastisch te verminderen.
Geheimen van optica in de natuur
Waarom blauwe lucht, rode zonsondergang en witte wolken? Deze vragen zijn van kinds af aan bij iedereen bekend. De wetten van Malus en Brewster geven verklaringen voor deze natuurlijke effecten. Onze lucht is echt kleurrijk, dankzij de zon. Het heldere witte licht heeft alle kleuren van de regenboog erin verwerkt: rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet. Onder bepaalde omstandigheden ontmoet een persoon ofwel een regenboog, of een zonsondergang, of een grijze late avond. De lucht is blauw vanwege de "verstrooiing" van zonlicht. De kleur blauw heeft een kortere golflengte en meer energie dan andere kleuren.
Als gevolg hiervan wordt blauw selectief geabsorbeerd door luchtmoleculen en vervolgens weer vrijgegeven in alle richtingen. Andere kleuren zijn minder verspreid en daarom meestal niet zichtbaar. De middagzon is geel nadat hij zijn blauwe kleur heeft opgenomen. Bij zonsopgang of zonsondergang komt zonlicht onder een lage hoek binnen en moet het door een grote dikte van de atmosfeer gaan. Als gevolg hiervan wordt de blauwe kleur grondig verspreid, zodat het meeste volledig door de lucht wordt geabsorbeerd, verloren gaat en andere kleuren verstrooit, vooral oranje en rood, waardoor een glorieuze kleurenhorizon ontstaat.
De kleuren van het zonlicht zijn ook verantwoordelijk voor alle tinten waar we op aarde van houden, of het nu grasgroen is of de turquoise oceaan. Het oppervlak van elk object selecteert de specifieke kleuren die het zal reflecteren om:onderscheid jezelf. Wolken zijn vaak schitterend wit omdat ze uitstekende reflectoren of diffusors van elke kleur zijn. Alle geretourneerde kleuren worden bij elkaar opgeteld tot neutraal wit. Sommige materialen reflecteren alle kleuren gelijkmatig, zoals melk, krijt en suiker.
Het belang van polarisatiegevoeligheid in de astronomie
De studie van de wet van Malus, het effect van polarisatie in de astronomie, werd lange tijd genegeerd. Starlight is bijna volledig ongepolariseerd en kan als standaard worden gebruikt. De aanwezigheid van gepolariseerd licht in de astronomie kan ons vertellen hoe licht is ontstaan. Bij sommige supernova's is het uitgestraalde licht niet ongepolariseerd. Afhankelijk van het deel van de ster dat wordt bekeken, kan een andere polarisatie worden gezien.
Deze informatie over de polarisatie van licht uit verschillende delen van de nevel zou onderzoekers aanwijzingen kunnen geven over de locatie van de beschaduwde ster.
In andere gevallen kan de aanwezigheid van gepolariseerd licht informatie onthullen over het hele deel van de onzichtbare melkweg. Een ander gebruik van polarisatiegevoelige metingen in de astronomie is het detecteren van de aanwezigheid van magnetische velden. Door de circulaire polarisatie te bestuderen van zeer specifieke kleuren licht afkomstig van de corona van de zon, hebben wetenschappers informatie ontdekt over de sterkte van het magnetische veld op deze plaatsen.
Optische microscopie
De microscoop met gepolariseerd licht is ontworpen om specimens te observeren en te fotograferen die zichtbaar zijn doorhun optisch anisotrope aard. Anisotrope materialen hebben optische eigenschappen die veranderen met de voortplantingsrichting van het licht dat er doorheen gaat. Om deze taak te volbrengen, moet de microscoop zijn uitgerust met zowel een polarisator die ergens voor het monster in het lichtpad is geplaatst als een analysator (tweede polarisator) die in het optische pad tussen de achterste lensopening en de kijkbuizen of camerapoort is geplaatst.
Toepassing van polarisatie in de biogeneeskunde
Deze trend, die tegenwoordig populair is, is gebaseerd op het feit dat er in ons lichaam veel verbindingen zijn die optisch actief zijn, dat wil zeggen dat ze de polarisatie van het licht dat erdoorheen gaat kunnen roteren. Verschillende optisch actieve verbindingen kunnen de polarisatie van licht in verschillende hoeveelheden en in verschillende richtingen roteren.
Sommige optisch actieve chemicaliën zijn in hogere concentraties aanwezig in de vroege stadia van oogziekte. Artsen kunnen deze kennis mogelijk gebruiken om in de toekomst oogziekten te diagnosticeren. Men kan zich voorstellen dat de arts een gepolariseerde lichtbron in het oog van de patiënt schijnt en de polarisatie meet van het licht dat door het netvlies wordt weerkaatst. Gebruikt als een niet-invasieve methode voor het testen van oogziekten.
Het geschenk van moderniteit - LCD-scherm
Als je goed naar het LCD-scherm kijkt, zul je merken dat de afbeelding een grote reeks gekleurde vierkanten is die in een raster zijn gerangschikt. Daarin vonden ze toepassing van de wet van Malus,de fysica van het proces dat de omstandigheden creëerde waarin elk vierkant of elke pixel zijn eigen kleur heeft. Deze kleur is een combinatie van rood, groen en blauw licht in elke intensiteit. Deze primaire kleuren kunnen elke kleur reproduceren die het menselijk oog kan zien, omdat onze ogen trichromatisch zijn.
Met andere woorden, ze benaderen specifieke golflengten van licht door de intensiteit van elk van de drie kleurkanalen te analyseren.
Beeldschermen maken gebruik van deze tekortkoming door slechts drie golflengten weer te geven die zich selectief richten op elk type receptor. De vloeibare kristalfase bestaat in de grondtoestand, waarin de moleculen in lagen zijn georiënteerd, en elke volgende laag draait lichtjes om een spiraalvormig patroon te vormen.
7-segment LCD-scherm:
- Positieve elektrode.
- Negatieve elektrode.
- Polarisator 2.
- Weergave.
- Polarisator 1.
- Vloeibaar kristal.
Hier bevindt zich het LCD-scherm tussen twee glasplaten, die zijn uitgerust met elektroden. LCD's van transparante chemische verbindingen met "gedraaide moleculen" die vloeibare kristallen worden genoemd. Het fenomeen van optische activiteit in sommige chemicaliën is te wijten aan hun vermogen om het vlak van gepolariseerd licht te roteren.
Stereopsis 3D-films
Polarisatie stelt het menselijk brein in staat om 3D te vervalsen door de verschillen tussen twee afbeeldingen te analyseren. Mensen kunnen niet in 3D zien, onze ogen kunnen alleen in 2D zien. Afbeeldingen. Onze hersenen kunnen echter begrijpen hoe ver objecten verwijderd zijn door de verschillen te analyseren in wat elk oog ziet. Dit proces staat bekend als Stereopsis.
Omdat onze hersenen alleen pseudo-3D kunnen zien, kunnen filmmakers dit proces gebruiken om de illusie van drie dimensies te creëren zonder toevlucht te nemen tot hologrammen. Alle 3D-films werken door twee foto's te leveren, één voor elk oog. Tegen de jaren vijftig was polarisatie de dominante methode voor beeldscheiding geworden. Theaters begonnen twee projectoren tegelijk te laten draaien, met een lineaire polarisator over elke lens.
Voor de huidige generatie 3D-films is de technologie overgestapt op circulaire polarisatie, wat zorgt voor het oriëntatieprobleem. Deze technologie wordt momenteel geproduceerd door RealD en is goed voor 90% van de 3D-markt. RealD heeft een cirkelvormig filter uitgebracht dat zeer snel schakelt tussen polarisatie met de klok mee en tegen de klok in, zodat er maar één projector wordt gebruikt in plaats van twee.
