Je ťažké určiť, kto ako prvý objavil polarizované svetlo. Starovekí ľudia si mohli všimnúť zvláštne miesto pri pohľade na oblohu v určitých smeroch. Polarizácia má veľa zvláštností, prejavuje sa v rôznych oblastiach života a dnes je predmetom masového výskumu a aplikácie, dôvodom všetkého je zákon Malus.
Objav polarizovaného svetla
Vikingovia možno použili na navigáciu polarizáciu oblohy. Ak by aj nie, určite našli Island a nádherný kalcitový kameň. Islandský rákos (kalcit) bol známy už vo svojej dobe, za svoje meno vďačí práve obyvateľom Islandu. Minerál sa kedysi používal pri navigácii vďaka svojim jedinečným optickým vlastnostiam. Zohralo hlavnú úlohu v modernom objave polarizácie a naďalej je materiálom voľby na oddeľovanie polarizačných zložiek svetla.
V roku 1669 dánsky matematik z Kodanskej univerzity Erasmus Bartholinus nielenže uvidel dvojité svetlo, ale vykonal aj niekoľko experimentov a napísal 60-stranové memoáre. Toto jebol prvý vedecký popis polarizačného efektu a autora možno považovať za objaviteľa tejto úžasnej vlastnosti svetla.
Christian Huygens vyvinul teóriu pulzných vĺn svetla, ktorú publikoval v roku 1690 vo svojej slávnej knihe Traite de la Lumiere. Isaac Newton zároveň vo svojej knihe Opticks (1704) pokročil v korpuskulárnej teórii svetla. Nakoniec mali obaja pravdu a nie, pretože svetlo má dvojakú povahu (vlna a častica). Napriek tomu bol Huygens bližšie k modernému chápaniu procesu.
V roku 1801 uskutočnil Thomas Young slávny experiment s interferenciou s dvojitou štrbinou. Dokázané, že svetlo sa správa ako vlny a superpozícia vĺn môže viesť k tme (deštruktívne rušenie). Svoju teóriu použil na vysvetlenie vecí ako Newtonove prstene a nadprirodzené dúhové oblúky. Prelom vo vede nastal o niekoľko rokov neskôr, keď Jung ukázal, že polarizácia je spôsobená priečnou vlnovou povahou svetla.
Mladý Etienne Louis Malus žil v turbulentnej dobe – počas Francúzskej revolúcie a vlády teroru. S Napoleonovou armádou sa zúčastnil invázie do Egypta, ale aj Palestíny a Sýrie, kde sa nakazil morom, ktorý ho o niekoľko rokov neskôr zabil. Podarilo sa mu však významne prispieť k pochopeniu polarizácie. Malusov zákon, ktorý predpovedal intenzitu svetla prenášaného cez polarizátor, sa stal jedným z najpopulárnejších v 21. storočí pri vytváraní obrazoviek z tekutých kryštálov.
Sir David Brewster, uznávaný vedecký spisovateľ, študoval predmety optickej fyziky, ako sú dichroizmus a spektráabsorpcia, ako aj obľúbenejšie predmety, ako je stereo fotografia. Známa je Brewsterova veta: „Všetko je priehľadné okrem skla“.
Neoceniteľne prispel aj k štúdiu svetla:
- Zákon popisujúci "uhol polarizácie".
- Vynález kaleidoskopu.
Brewster zopakoval Malusove experimenty s mnohými drahokamami a inými materiálmi, objavil anomáliu v skle a objavil zákon – „Brewsterov uhol“. Podľa neho „…keď je lúč polarizovaný, odrazený lúč tvorí pravý uhol s lomeným lúčom.“
Zákon o polarizácii Malus
Skôr ako hovoríme o polarizácii, musíme si spomenúť na svetlo. Svetlo je vlna, hoci niekedy je to častica. Ale v každom prípade polarizácia má zmysel, ak si svetlo predstavujeme ako vlnu, ako čiaru, ako sa pohybuje od lampy k očiam. Väčšina svetla je zmiešaná zmes svetelných vĺn, ktoré vibrujú všetkými smermi. Tento smer oscilácie sa nazýva polarizácia svetla. Polarizátor je zariadenie, ktoré tento neporiadok vyčistí. Prijíma všetko, čo mieša svetlo a prepúšťa len svetlo, ktoré osciluje v jednom konkrétnom smere.
Formulácia Malusovho zákona je: keď na analyzátor dopadá úplne ploché polarizované svetlo, intenzita svetla prenášaného analyzátorom je priamo úmerná štvorcu kosínusu uhla medzi osami prenosu analyzátora a polarizátor.
Priečna elektromagnetická vlna obsahuje elektrické aj magnetické pole a elektrické pole vo svetelnej vlne je kolmé na smer šírenia svetelnej vlny. Smer vibrácie svetla je elektrický vektor E.
Pre obyčajný nepolarizovaný lúč elektrický vektor pri prechode svetla cez polaroid stále náhodne mení svoj smer, výsledné svetlo je rovinne polarizované a jeho elektrický vektor vibruje v určitom smere. Smer vektora vznikajúceho lúča závisí od orientácie polaroidu a rovina polarizácie je navrhnutá ako rovina obsahujúca E-vektor a svetelný lúč.
Na obrázku nižšie je znázornené ploché polarizované svetlo spôsobené vertikálnym vektorom EI a horizontálnym vektorom EII.
Nepolarizované svetlo prechádza cez Polaroid P 1 a potom cez Polaroid P 2, pričom zviera uhol θ s osami y-s. Keď svetlo šíriace sa v smere x prejde polaroidom P 1, elektrický vektor spojený s polarizovaným svetlom bude vibrovať iba pozdĺž osi y.
Ak teraz umožníme, aby tento polarizovaný lúč znova prešiel cez polarizovaný P 2, pričom s osou y zvierame uhol θ, potom ak E 0 je amplitúda dopadajúceho elektrického poľa na P 2, potom amplitúda vlna vychádzajúca z P 2 sa bude rovnať E 0 cosθ, a preto intenzita vychádzajúceho lúča bude podľa Malusovho zákona (vzorec) I=I 0 cos 2 θ
kde I 0 je intenzita lúča vychádzajúceho z P 2, keď θ=0θ je uhol medzi rovinami prenosu analyzátora a polarizátora.
Príklad výpočtu intenzity svetla
Malusov zákon: I 1=I o cos 2 (q);
kde q je uhol medzi smerom polarizácie svetla a osou prenosu polarizátora.
Nepolarizované svetlo s intenzitou I o=16 W/m 2 dopadá na dvojicu polarizátorov. Prvý polarizátor má os prenosu zoradenú vo vzdialenosti 50° od vertikály. Druhý polarizátor má os prenosu zarovnanú vo vzdialenosti 20o od vertikály.
Test Malusovho zákona možno vykonať výpočtom intenzity svetla, keď vychádza z prvého polarizátora:
4 W/m 2
16 čos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Svetlo nie je polarizované, takže I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intenzita svetla z druhého polarizátora:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Nasleduje Malusov zákon, ktorého formulácia potvrdzuje, že keď svetlo opustí prvý polarizátor, je lineárne polarizované pri 50o. Uhol medzi touto osou a osou prenosu druhého polarizátora je 30°. Preto:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Teraz lineárna polarizácia lúča svetla s intenzitou 16 W/m 2 dopadá na rovnaký pár polarizátorov. Smer polarizácie dopadajúceho svetla je 20o od vertikály.
Intenzita svetla vychádzajúceho z prvého a druhého polarizátora. Prechodom cez každý polarizátor sa intenzita zníži o faktor 3/4. Po opustení prvého polarizátoraintenzita je 163/4 =12 W/m2 a po prejdení sekundy klesá na 123/4 =9 W/m2.
Polarizácia malúzskeho zákona hovorí, že na otočenie svetla z jedného smeru polarizácie do druhého sa strata intenzity zníži použitím viacerých polarizátorov.
Predpokladajme, že potrebujete otočiť smer polarizácie o 90o.
| N, počet polarizátorov | Uhol medzi po sebe nasledujúcimi polarizátormi | 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 Brewsterovho uhla odrazu
Keď svetlo dopadne na povrch, časť svetla sa odrazí a časť prenikne (láme). Relatívna miera tohto odrazu a lomu závisí od látok prechádzajúcich svetlom, ako aj od uhla, pod ktorým svetlo dopadá na povrch. Existuje optimálny uhol v závislosti od látok, ktorý umožňuje svetlu čo najviac lámať (prenikať). Tento optimálny uhol je známy ako uhol škótskeho fyzika Davida Brewstera.
Vypočítajte uholBrewster pre obyčajné polarizované biele svetlo sa vyrába podľa vzorca:
theta=arctan (n1 / n2), kde theta je Brewsterov uhol a n1 a n2 sú indexy lomu týchto dvoch médií.
Na výpočet najlepšieho uhla pre maximálny prienik svetla cez sklo – z tabuľky indexu lomu zistíme, že index lomu vzduchu je 1,00 a index lomu skla je 1,50.
Brewsterov uhol by bol arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 stupňov (približne).
Výpočet najlepšieho uhla svetla pre maximálnu penetráciu vody. Z tabuľky indexov lomu vyplýva, že index pre vzduch je 1,00 a index lomu pre vodu je 1,33.
Brewsterov uhol by bol arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 stupňov (približne).
Použitie polarizovaného svetla
Jednoduchý laik si ani nevie predstaviť, ako intenzívne sa polarizátory vo svete používajú. Polarizácia svetla zákona Malusa nás obklopuje všade. Napríklad také obľúbené veci ako slnečné okuliare Polaroid, ale aj použitie špeciálnych polarizačných filtrov na šošovky fotoaparátov. Rôzne vedecké prístroje využívajú polarizované svetlo vyžarované lasermi alebo polarizačnými žiarovkami a fluorescenčnými zdrojmi.
Polarizátory sa niekedy používajú v osvetlení miestností a javísk na zníženie oslnenia a zabezpečenie rovnomernejšieho osvetlenia a ako okuliare, ktoré dávajú 3D filmom viditeľný pocit hĺbky. Dokonca aj skrížené polarizátorypoužíva sa vo vesmírnych skafandroch na drastické zníženie množstva svetla, ktoré vstupuje do očí astronauta počas spánku.
Tajomstvá optiky v prírode
Prečo modrá obloha, červený západ slnka a biele oblaky? Tieto otázky pozná každý už od detstva. Zákony Malusa a Brewstera poskytujú vysvetlenie týchto prirodzených účinkov. Naša obloha je vďaka slnku naozaj farebná. Jeho jasné biele svetlo má vo vnútri zabudované všetky farby dúhy: červenú, oranžovú, žltú, zelenú, modrú, indigovú a fialovú. Za určitých podmienok sa človek stretne buď s dúhou, alebo so západom slnka, alebo so šedým neskorým večerom. Obloha je modrá kvôli „rozptylu“slnečného svetla. Modrá farba má kratšiu vlnovú dĺžku a viac energie ako ostatné farby.
V dôsledku toho je modrá selektívne absorbovaná molekulami vzduchu a potom je opäť uvoľnená do všetkých smerov. Ostatné farby sú menej rozptýlené, a preto ich zvyčajne nevidno. Poludňajšie slnko je žlté po absorbovaní jeho modrej farby. Pri východe alebo západe slnka slnečné svetlo vstupuje pod malým uhlom a musí prejsť veľkou hrúbkou atmosféry. V dôsledku toho je modrá farba dôkladne rozptýlená, takže väčšina z nej je úplne absorbovaná vzduchom, stráca sa a rozptyľuje ostatné farby, najmä oranžovú a červenú, čím vytvára nádherný farebný horizont.
Farby slnečného svetla sú zodpovedné aj za všetky odtiene, ktoré na Zemi milujeme, či už je to trávová zelená alebo tyrkysový oceán. Povrch každého objektu vyberá konkrétne farby, ktoré bude odrážaťodlíšiť sa. Mraky sú často žiarivo biele, pretože sú vynikajúcimi reflektormi alebo difúzormi akejkoľvek farby. Všetky vrátené farby sa sčítajú do neutrálnej bielej. Niektoré materiály odrážajú všetky farby rovnomerne, ako napríklad mlieko, krieda a cukor.
Význam polarizačnej citlivosti v astronómii
Štúdium Malusovho zákona, vplyv polarizácie v astronómii, bol dlho ignorovaný. Starlight je takmer úplne nepolarizovaný a môže byť použitý ako štandard. Prítomnosť polarizovaného svetla v astronómii nám môže povedať, ako svetlo vzniklo. V niektorých supernovách nie je vyžarované svetlo nepolarizované. V závislosti od pozorovanej časti hviezdy je možné vidieť rôznu polarizáciu.
Táto informácia o polarizácii svetla z rôznych oblastí hmloviny by mohla výskumníkom poskytnúť vodítko k umiestneniu zatienenej hviezdy.
V iných prípadoch môže prítomnosť polarizovaného svetla odhaliť informácie o celej časti neviditeľnej galaxie. Ďalším využitím meraní citlivých na polarizáciu v astronómii je zisťovanie prítomnosti magnetických polí. Štúdiom kruhovej polarizácie veľmi špecifických farieb svetla vychádzajúceho zo slnečnej koróny vedci odhalili informácie o sile magnetického poľa v týchto miestach.
Optická mikroskopia
Mikroskop s polarizovaným svetlom je určený na pozorovanie a fotografovanie vzoriek, ktoré sú viditeľné cezich opticky anizotropný charakter. Anizotropné materiály majú optické vlastnosti, ktoré sa menia so smerom šírenia svetla, ktoré nimi prechádza. Na splnenie tejto úlohy musí byť mikroskop vybavený polarizátorom umiestneným v dráhe svetla niekde pred vzorkou a analyzátorom (druhým polarizátorom) umiestneným v optickej dráhe medzi zadnou apertúrou objektívu a pozorovacími trubicami alebo portom fotoaparátu..
Aplikácia polarizácie v biomedicíne
Tento dnes populárny trend je založený na skutočnosti, že v našom tele je veľa zlúčenín, ktoré sú opticky aktívne, čiže dokážu otáčať polarizáciu svetla, ktoré cez ne prechádza. Rôzne opticky aktívne zlúčeniny môžu otáčať polarizáciu svetla v rôznych množstvách a v rôznych smeroch.
Niektoré opticky aktívne chemikálie sú prítomné vo vyšších koncentráciách v skorých štádiách očných chorôb. Lekári by tieto poznatky mohli v budúcnosti potenciálne využiť na diagnostiku očných chorôb. Možno si predstaviť, že lekár zasvieti do oka pacienta polarizovaným zdrojom svetla a meria polarizáciu svetla odrazeného od sietnice. Používa sa ako neinvazívna metóda na testovanie očných chorôb.
Dar modernosti – LCD obrazovka
Ak sa pozriete pozorne na obrazovku LCD, všimnete si, že obraz je veľké pole farebných štvorcov usporiadaných do mriežky. V nich našli uplatnenie Malusovho zákona,fyzika procesu, ktorý vytvoril podmienky, keď každý štvorec alebo pixel má svoju vlastnú farbu. Táto farba je kombináciou červeného, zeleného a modrého svetla v každej intenzite. Tieto primárne farby dokážu reprodukovať akúkoľvek farbu, ktorú ľudské oko vidí, pretože naše oči sú trichromatické.
Inými slovami, približujú špecifické vlnové dĺžky svetla analýzou intenzity každého z troch farebných kanálov.
Zobrazenia využívajú tento nedostatok tým, že zobrazujú iba tri vlnové dĺžky, ktoré selektívne cielia na každý typ receptora. Fáza tekutých kryštálov existuje v základnom stave, v ktorom sú molekuly orientované vo vrstvách a každá nasledujúca vrstva sa mierne krúti, aby vytvorila špirálovitý vzor.
7-segmentový LCD displej:
- Pozitívna elektróda.
- Záporná elektróda.
- Polarizer 2.
- Zobraziť.
- Polarizátor 1.
- Tekutý kryštál.
Tu je LCD medzi dvoma sklenenými doskami, ktoré sú vybavené elektródami. LCD priehľadných chemických zlúčenín so „skrútenými molekulami“nazývanými tekuté kryštály. Fenomén optickej aktivity niektorých chemikálií je spôsobený ich schopnosťou otáčať rovinu polarizovaného svetla.
Stereoptické 3D filmy
Polarizácia umožňuje ľudskému mozgu predstierať 3D analyzovaním rozdielov medzi dvoma obrázkami. Ľudia nemôžu vidieť v 3D, naše oči môžu vidieť iba v 2D. Snímky. Náš mozog však dokáže pochopiť, ako ďaleko sú objekty, analyzovaním rozdielov v tom, čo každé oko vidí. Tento proces je známy ako Stereopsis.
Keďže náš mozog vidí iba pseudo-3D, filmári môžu tento proces použiť na vytvorenie ilúzie troch rozmerov bez toho, aby sa uchyľovali k hologramom. Všetky 3D filmy fungujú tak, že poskytujú dve fotografie, jednu pre každé oko. V 50. rokoch sa polarizácia stala dominantnou metódou separácie obrazu. Divadlá začali mať dva projektory bežiace súčasne s lineárnym polarizátorom na každej šošovke.
Pri súčasnej generácii 3D filmov prešla technológia na kruhovú polarizáciu, ktorá rieši problém orientácie. Túto technológiu v súčasnosti vyrába spoločnosť RealD a predstavuje 90 % 3D trhu. RealD vydal kruhový filter, ktorý veľmi rýchlo prepína medzi pravotočivou a ľavotočivou polarizáciou, takže sa používa iba jeden projektor namiesto dvoch.
