Je těžké určit, kdo jako první objevil polarizované světlo. Starověcí lidé si mohli všimnout zvláštního místa při pohledu na oblohu v určitých směrech. Polarizace má mnoho zvláštností, projevuje se v různých oblastech života a dnes je předmětem masového výzkumu a aplikace, důvodem všeho je zákon Malus.
Objev polarizovaného světla
Vikingové možná používali k navigaci polarizaci oblohy. I kdyby ne, určitě našli Island a nádherný vápencový kámen. Islandský rákos (kalcit) byl známý už ve své době, za své jméno vděčí právě obyvatelům Islandu. Minerál byl kdysi používán v navigaci díky svým jedinečným optickým vlastnostem. Hrálo hlavní roli v moderním objevu polarizace a nadále je materiálem volby pro oddělení polarizačních složek světla.
V roce 1669 dánský matematik z Kodaňské univerzity Erasmus Bartholinus nejenže viděl dvojí světlo, ale také provedl několik experimentů a napsal 60stránkové paměti. Tohle jebyl prvním vědeckým popisem polarizačního efektu a autora lze považovat za objevitele této úžasné vlastnosti světla.
Christian Huygens vyvinul teorii pulzních vln světla, kterou publikoval v roce 1690 ve své slavné knize Traite de la Lumiere. Ve stejné době Isaac Newton ve své knize Opticks (1704) pokročil v korpuskulární teorii světla. Nakonec byly oba správné a špatné, protože světlo má dvojí povahu (vlna a částice). Přesto byl Huygens blíže modernímu chápání procesu.
V roce 1801 provedl Thomas Young slavný experiment s interferencí s dvojitou štěrbinou. Bylo prokázáno, že světlo se chová jako vlny a superpozice vln může vést ke tmě (destruktivní interference). Použil svou teorii k vysvětlení věcí, jako jsou Newtonovy prsteny a nadpřirozené duhové oblouky. Průlom ve vědě přišel o několik let později, když Jung ukázal, že polarizace je způsobena příčnou vlnovou povahou světla.
Mladý Etienne Louis Malus žil v bouřlivé době – během francouzské revoluce a vlády teroru. S Napoleonovou armádou se účastnil invaze do Egypta, ale i Palestiny a Sýrie, kde se nakazil morem, který ho o pár let později zabil. Ale podařilo se mu významně přispět k pochopení polarizace. Malusův zákon, který předpovídal intenzitu světla procházejícího polarizátorem, se stal jedním z nejpopulárnějších v 21. století při vytváření obrazovek z tekutých krystalů.
Sir David Brewster, uznávaný vědecký spisovatel, studoval předměty optické fyziky, jako je dichroismus a spektraabsorpce, stejně jako populárnější předměty, jako je stereo fotografie. Známá je Brewsterova věta: „Všechno je průhledné kromě skla“.
Neocenitelným způsobem také přispěl ke studiu světla:
- Zákon popisující "polarizační úhel".
- Vynález kaleidoskopu.
Brewster zopakoval Malusovy experimenty pro mnoho drahokamů a jiných materiálů, objevil anomálii ve skle a objevil zákon – „Brewsterův úhel“. Podle něj „…když je paprsek polarizován, odražený paprsek svírá s lomeným paprskem pravý úhel.“
Zákon o polarizaci malusu
Než budeme mluvit o polarizaci, musíme si nejprve vzpomenout na světlo. Světlo je vlna, i když někdy je to částice. Ale v každém případě polarizace má smysl, pokud si představíme světlo jako vlnu, jako čáru, jak putuje od lampy k očím. Většina světla je smíšená směs světelných vln, které vibrují všemi směry. Tento směr kmitání se nazývá polarizace světla. Polarizátor je zařízení, které tento nepořádek vyčistí. Přijímá vše, co mísí světlo a propouští pouze světlo, které osciluje jedním konkrétním směrem.
Formulace Malusova zákona zní: když na analyzátor dopadá zcela ploché polarizované světlo, je intenzita světla přenášeného analyzátorem přímo úměrná druhé mocnině kosinu úhlu mezi osami přenosu analyzátoru a polarizátor.
Příčná elektromagnetická vlna obsahuje elektrické i magnetické pole a elektrické pole ve světelné vlně je kolmé na směr šíření světelné vlny. Směr vibrací světla je elektrický vektor E.
U běžného nepolarizovaného paprsku elektrický vektor stále náhodně mění svůj směr, když světlo prochází polaroidem, výsledné světlo je rovinně polarizované a jeho elektrický vektor vibruje v určitém směru. Směr vektoru vznikajícího paprsku závisí na orientaci polaroidu a rovina polarizace je navržena jako rovina obsahující E-vektor a světelný paprsek.
Obrázek níže ukazuje ploché polarizované světlo způsobené vertikálním vektorem EI a horizontálním vektorem EII.
Nepolarizované světlo prochází polaroidem P 1 a poté polaroidem P 2, přičemž svírá úhel θ s osou y-s. Poté, co světlo šířící se ve směru x projde polaroidem P 1, elektrický vektor spojený s polarizovaným světlem bude vibrovat pouze podél osy y.
Nyní, pokud dovolíme tomuto polarizovanému paprsku, aby znovu prošel polarizovaným P 2 a svíral úhel θ s osou y, pak pokud E 0 je amplituda dopadajícího elektrického pole na P 2, pak amplituda vlna vycházející z P 2 bude rovna E 0 cosθ, a proto bude intenzita vznikajícího paprsku podle Malusova zákona (vzorec) I=I 0 cos 2 θ
kde I 0 je intenzita paprsku vycházejícího z P 2, když θ=0θ je úhel mezi rovinami přenosu analyzátoru a polarizátoru.
Příklad výpočtu intenzity světla
Malusův zákon: I 1=I o cos 2 (q);
kde q je úhel mezi směrem polarizace světla a osou přenosu polarizátoru.
Nepolarizované světlo o intenzitě I o=16 W/m 2 dopadá na dvojici polarizátorů. První polarizátor má přenosovou osu orientovanou ve vzdálenosti 50° od vertikály. Druhý polarizátor má vysílací osu orientovanou ve vzdálenosti 20o od vertikály.
Test Malusova zákona lze provést výpočtem intenzity světla, když vychází z prvního polarizátoru:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Světlo není polarizované, takže I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intenzita světla z druhého polarizátoru:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Následuje Malusův zákon, jehož formulace potvrzuje, že když světlo opustí první polarizátor, je lineárně polarizováno při 50o. Úhel mezi touto a přenosovou osou druhého polarizátoru je 30°. Proto:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Nyní lineární polarizace paprsku světla o intenzitě 16 W/m 2 dopadá na stejný pár polarizátorů. Směr polarizace dopadajícího světla je 20o od vertikály.
Intenzita světla vycházejícího z prvního a druhého polarizátoru. Při průchodu každým polarizátorem se intenzita sníží o faktor 3/4. Po opuštění prvního polarizátoruintenzita je 163/4 =12 W/m2 a po sekundě klesá na 123/4 =9 W/m2.
Polarizace maluzského zákona říká, že pro otočení světla z jednoho směru polarizace do druhého je ztráta intenzity snížena použitím více polarizátorů.
Předpokládejme, že potřebujete otočit směr polarizace o 90o.
| N, počet polarizátorů | Úhel mezi po sobě jdoucími polarizátory | 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 |
Výpočet Brewsterova úhlu odrazu
Když světlo dopadne na povrch, část světla se odráží a část proniká (láme se). Relativní velikost tohoto odrazu a lomu závisí na látkách procházejících světlem a také na úhlu, pod kterým světlo dopadá na povrch. Existuje optimální úhel v závislosti na látkách, který umožňuje, aby se světlo co nejvíce lámalo (pronikalo). Tento optimální úhel je známý jako úhel skotského fyzika Davida Brewstera.
Vypočítejte úhelBrewster pro běžné polarizované bílé světlo se vyrábí podle vzorce:
theta=arctan (n1 / n2), kde theta je Brewsterův úhel a n1 a n2 jsou indexy lomu dvou médií.
Pro výpočet nejlepšího úhlu pro maximální prostup světla sklem – z tabulky indexů lomu zjistíme, že index lomu pro vzduch je 1,00 a index lomu pro sklo je 1,50.
Brewsterův úhel by byl arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 stupňů (přibližně).
Výpočet nejlepšího úhlu světla pro maximální pronikání vody. Z tabulky indexů lomu vyplývá, že index pro vzduch je 1,00 a index lomu pro vodu je 1,33.
Brewsterův úhel by byl arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 stupňů (přibližně).
Použití polarizovaného světla
Prostý laik si ani nedokáže představit, jak intenzivně se polarizátory ve světě používají. Polarizace světla zákona Malus nás obklopuje všude. Například takové oblíbené věci, jako jsou sluneční brýle Polaroid, a také použití speciálních polarizačních filtrů pro objektivy fotoaparátů. Různé vědecké přístroje využívají polarizované světlo vyzařované lasery nebo polarizačními žárovkami a fluorescenčními zdroji.
Polarizátory se někdy používají v osvětlení místností a jevišť ke snížení oslnění a zajištění rovnoměrnějšího osvětlení a jako brýle, které dávají 3D filmům viditelný pocit hloubky. Dokonce i zkřížené polarizátorypoužívá se ve skafandrech k drastickému snížení množství světla, které vstupuje do očí astronauta během spánku.
Tajemství optiky v přírodě
Proč modrá obloha, červený západ slunce a bílé mraky? Tyto otázky zná každý už od dětství. Zákony Maluse a Brewstera poskytují vysvětlení pro tyto přirozené účinky. Naše obloha je díky slunci opravdu barevná. Jeho jasně bílé světlo má uvnitř zapuštěné všechny barvy duhy: červenou, oranžovou, žlutou, zelenou, modrou, indigovou a fialovou. Za určitých podmínek člověk potká buď duhu, nebo západ slunce, nebo šedý pozdní večer. Obloha je modrá kvůli „rozptylování“slunečního světla. Modrá barva má kratší vlnovou délku a více energie než ostatní barvy.
V důsledku toho je modrá selektivně absorbována molekulami vzduchu a poté opět uvolněna do všech směrů. Ostatní barvy jsou méně rozptýlené, a proto obvykle nejsou vidět. Polední slunce je žluté poté, co absorbovalo jeho modrou barvu. Při východu nebo západu slunce vstupuje sluneční světlo pod malým úhlem a musí projít velkou tloušťkou atmosféry. V důsledku toho je modrá barva důkladně rozptýlena, takže většina z ní je zcela pohlcena vzduchem, ztrácí se a rozptyluje další barvy, zejména oranžovou a červenou, čímž vytváří nádherný barevný horizont.
Barvy slunečního světla jsou také zodpovědné za všechny odstíny, které na Zemi milujeme, ať už je to trávově zelená nebo tyrkysový oceán. Povrch každého objektu vybírá konkrétní barvy, které bude odrážetodlišit se. Mraky jsou často zářivě bílé, protože jsou vynikajícími reflektory nebo difuzory jakékoli barvy. Všechny vrácené barvy se sčítají do neutrální bílé. Některé materiály odrážejí všechny barvy rovnoměrně, jako je mléko, křída a cukr.
Význam polarizační citlivosti v astronomii
Po dlouhou dobu bylo studium Malusova zákona, vliv polarizace v astronomii ignorováno. Starlight je téměř zcela nepolarizovaný a lze jej použít jako standard. Přítomnost polarizovaného světla v astronomii nám může říci, jak bylo světlo vytvořeno. U některých supernov není vyzařované světlo nepolarizované. V závislosti na pozorované části hvězdy lze vidět různou polarizaci.
Tato informace o polarizaci světla z různých oblastí mlhoviny by mohla výzkumníkům poskytnout vodítko k umístění zastíněné hvězdy.
V jiných případech může přítomnost polarizovaného světla odhalit informace o celé části neviditelné galaxie. Dalším využitím měření citlivých na polarizaci v astronomii je zjišťování přítomnosti magnetických polí. Studiem kruhové polarizace velmi specifických barev světla vycházejícího ze sluneční koróny vědci odhalili informace o síle magnetického pole v těchto místech.
Optická mikroskopie
Mikroskop s polarizovaným světlem je určen k pozorování a fotografování vzorků, které jsou viditelné skrzjejich opticky anizotropní charakter. Anizotropní materiály mají optické vlastnosti, které se mění se směrem šíření světla, které jimi prochází. Pro splnění tohoto úkolu musí být mikroskop vybaven jak polarizátorem umístěným ve světelné dráze někde před vzorkem, tak analyzátorem (druhým polarizátorem) umístěným v optické dráze mezi zadní aperturou objektivu a pozorovacími trubicemi nebo portem kamery..
Uplatnění polarizace v biomedicíně
Tento dnes populární trend je založen na skutečnosti, že v našich tělech je mnoho sloučenin, které jsou opticky aktivní, to znamená, že dokážou otočit polarizaci světla, které jimi prochází. Různé opticky aktivní sloučeniny mohou otáčet polarizaci světla v různém množství a v různých směrech.
Některé opticky aktivní chemikálie jsou přítomny ve vyšších koncentracích v časných stádiích očního onemocnění. Lékaři by tyto znalosti mohli v budoucnu potenciálně využít k diagnostice očních chorob. Lze si představit, že lékař posvítí pacientovi do oka polarizovaným zdrojem světla a změří polarizaci světla odraženého od sítnice. Používá se jako neinvazivní metoda pro testování očních onemocnění.
Dar modernosti – LCD obrazovka
Pokud se podíváte pozorně na obrazovku LCD, všimnete si, že obraz je velké pole barevných čtverců uspořádaných do mřížky. V nich našli uplatnění Malusova zákona,fyzika procesu, který vytvořil podmínky, kdy každý čtverec nebo pixel má svou vlastní barvu. Tato barva je kombinací červeného, zeleného a modrého světla v každé intenzitě. Tyto primární barvy mohou reprodukovat jakoukoli barvu, kterou lidské oko vidí, protože naše oči jsou trichromatické.
Jinými slovy, aproximují specifické vlnové délky světla analýzou intenzity každého ze tří barevných kanálů.
Displeje využívají tento nedostatek tím, že zobrazují pouze tři vlnové délky, které selektivně cílí na každý typ receptoru. Fáze tekutých krystalů existuje v základním stavu, ve kterém jsou molekuly orientovány ve vrstvách a každá následující vrstva se mírně zkroutí, aby vytvořila spirálový vzor.
7segmentový LCD displej:
- Pozitivní elektroda.
- Záporná elektroda.
- Polarizer 2.
- Zobrazení.
- Polarizer 1.
- Tekutý krystal.
Zde je LCD mezi dvěma skleněnými deskami, které jsou vybaveny elektrodami. LCD průhledných chemických sloučenin s "zkroucenými molekulami" nazývanými tekuté krystaly. Fenomén optické aktivity u některých chemikálií je způsoben jejich schopností otáčet rovinu polarizovaného světla.
Stereoptické 3D filmy
Polarizace umožňuje lidskému mozku předstírat 3D analyzováním rozdílů mezi dvěma obrázky. Lidé nevidí ve 3D, naše oči vidí pouze ve 2D. Snímky. Náš mozek však dokáže pochopit, jak daleko jsou objekty, pomocí analýzy rozdílů v tom, co každé oko vidí. Tento proces je známý jako Stereopsis.
Protože náš mozek vidí pouze pseudo-3D, filmaři mohou tento proces použít k vytvoření iluze tří rozměrů, aniž by se museli uchylovat k hologramům. Všechny 3D filmy fungují tak, že poskytují dvě fotografie, jednu pro každé oko. V 50. letech se polarizace stala dominantní metodou separace obrazu. V divadlech začaly běžet dva projektory současně s lineárním polarizátorem přes každou čočku.
U současné generace 3D filmů technologie přešla na kruhovou polarizaci, která řeší problém orientace. Tuto technologii v současnosti vyrábí společnost RealD a představuje 90 % 3D trhu. RealD vydal kruhový filtr, který velmi rychle přepíná mezi pravotočivou a levotočivou polarizací, takže se používá pouze jeden projektor místo dvou.
