Polarize ışığı ilk kimin keşfettiğini belirlemek zor. Eski insanlar, gökyüzüne belirli yönlerden bakarak tuhaf bir nokta fark edebilirdi. Kutuplaşmanın birçok tuhaflığı vardır, hayatın farklı alanlarında kendini gösterir ve günümüzde kitlesel araştırmaların ve uygulamaların konusudur, her şeyin sebebi Malus yasasıdır.
Polarize ışığın keşfi
Vikingler yön bulmak için gökyüzü kutuplaşmasını kullanmış olabilir. Olmasalar bile İzlanda'yı ve harika kalsit taşını mutlaka bulmuşlardır. İzlanda spar (kalsit) kendi zamanlarında bile biliniyordu, adını İzlanda sakinlerine borçluydu. Mineral, benzersiz optik özellikleri nedeniyle bir zamanlar navigasyonda kullanıldı. Polarizasyonun modern keşfinde önemli bir rol oynadı ve ışığın polarizasyon bileşenlerini ayırmak için tercih edilen malzeme olmaya devam ediyor.
1669'da, Kopenhag Üniversitesi'nden Danimarkalı matematikçi Erasmus Bartholinus, sadece çifte ışık görmekle kalmadı, aynı zamanda bazı deneyler yaparak 60 sayfalık bir anı yazdı. Bupolarizasyon etkisinin ilk bilimsel tanımıydı ve yazar, ışığın bu şaşırtıcı özelliğinin keşfi olarak kabul edilebilir.
Christian Huygens, 1690'da ünlü kitabı Traite de la Lumiere'de yayınladığı darbeli dalga ışığı teorisini geliştirdi. Aynı zamanda Isaac Newton, Opticks (1704) adlı kitabında ışığın cisimcik teorisini geliştirdi. Sonunda, ışığın ikili bir doğası (dalga ve parçacık) olduğu için ikisi de doğru ve yanlıştı. Yine de Huygens, sürecin modern anlayışına daha yakındı.
1801'de Thomas Young ünlü çift yarık girişim deneyini yaptı. Işığın dalgalar gibi davrandığını ve dalgaların üst üste gelmesinin karanlığa (yıkıcı girişim) yol açabileceğini kanıtladı. Teorisini Newton'un halkaları ve doğaüstü gökkuşağı yayları gibi şeyleri açıklamak için kullandı. Birkaç yıl sonra Jung, polarizasyonun ışığın enine dalga doğasından kaynaklandığını gösterdiğinde bilimde bir atılım gerçekleşti.
Genç Etienne Louis Malus, Fransız Devrimi ve terörün hüküm sürdüğü çalkantılı bir dönemde yaşadı. Birkaç yıl sonra kendisini öldüren vebaya yakalandığı Mısır'ın yanı sıra Filistin ve Suriye'nin işgaline Napolyon'un ordusuyla katıldı. Ancak kutuplaşma anlayışına önemli bir katkı yapmayı başardı. Bir polarizör aracılığıyla iletilen ışığın yoğunluğunu tahmin eden Malus yasası, sıvı kristal ekranlar oluştururken 21. yüzyılda en popüler olanlardan biri haline geldi.
Ünlü bilim yazarı Sir David Brewster, dikroizm ve spektrum gibi optik fizik konularını inceledisoğurma, stereo fotoğrafçılık gibi daha popüler konuların yanı sıra. Brewster'ın ünlü sözü bilinir: "Cam dışında her şey şeffaftır".
Ayrıca ışık çalışmasına paha biçilmez bir katkı yaptı:
- "Kutuplaşma açısını" tanımlayan yasa.
- Kaleydoskopun icadı.
Brewster, Malus'un birçok mücevher ve diğer malzemeler için yaptığı deneyleri tekrarladı, camda bir anormallik keşfetti ve yasayı keşfetti - "Brewster'ın açısı". Ona göre, “…ışın polarize olduğunda, yansıyan ışın kırılan ışınla dik açı oluşturur.”
Malus Polarizasyon Yasası
Polarizasyon hakkında konuşmadan önce, ışığı hatırlamalıyız. Işık bazen bir parçacık olmasına rağmen bir dalgadır. Ama her halükarda, ışığı bir dalga, lambadan gözlere giden bir çizgi olarak düşünürsek, polarizasyon mantıklıdır. Çoğu ışık, her yöne titreşen karışık bir ışık dalgaları karmaşasıdır. Bu salınım yönüne ışığın polarizasyonu denir. Polarizer bu pisliği temizleyen cihazdır. Işığı karıştıran her şeyi kabul eder ve yalnızca belirli bir yönde salınan ışığın geçmesine izin verir.
Malus Yasasının formülasyonu şudur: analizöre tamamen düz polarize bir ışık düştüğünde, analizör tarafından iletilen ışığın yoğunluğu, analizörün iletim eksenleri ile analizörün iletim eksenleri arasındaki açının kosinüsünün karesiyle doğru orantılıdır. polarizör.
Enine bir elektromanyetik dalga, hem elektrik hem de manyetik alan içerir ve bir ışık dalgasındaki elektrik alanı, ışık dalgasının yayılma yönüne diktir. Işık titreşiminin yönü elektrik vektörü E'dir.
Sıradan bir polarize olmayan ışın için, elektrik vektörü ışık bir polaroidden geçtiğinde yönünü rastgele değiştirmeye devam eder, ortaya çıkan ışık, elektrik vektörü belirli bir yönde titreşerek düzlem polarize olur. Ortaya çıkan ışın vektörünün yönü, polaroidin yönüne bağlıdır ve polarizasyon düzlemi, E-vektörünü ve ışık ışınını içeren bir düzlem olarak tasarlanır.
Aşağıdaki şekil, dikey vektör EI ve yatay vektör EII nedeniyle düz polarize ışığı göstermektedir.
Polarize olmayan ışık bir Polaroid P 1'den ve ardından bir Polaroid P 2'den geçerek y ekseni-s ile bir θ açısı oluşturur. X yönünde yayılan ışık Polaroid P 1'den geçtikten sonra, polarize ışıkla ilişkili elektrik vektörü yalnızca y ekseni boyunca titreyecektir.
Şimdi bu polarize ışının tekrar polarize P 2'den geçmesine izin verirsek, y ekseniyle θ açısı yaparsak, o zaman E 0, P 2'ye gelen elektrik alanının genliği ise, o zaman P 2'den çıkan dalga E 0 cosθ'ye eşit olacaktır ve bu nedenle ortaya çıkan ışının yoğunluğu Malus Yasasına göre olacaktır (formül) I=I 0 cos 2 θ
burada I 0, θ=0 olduğunda P 2'den çıkan ışının yoğunluğudurθ, analizörün iletim düzlemleri ile polarizör arasındaki açıdır.
Işık yoğunluğu hesaplama örneği
Malus' Yasası: I 1=I o cos 2 (q);
burada q, ışık polarizasyon yönü ile polarizör iletim ekseni arasındaki açıdır.
I o=16 W/m 2 yoğunluğuna sahip polarize olmayan ışık bir çift polarizöre düşer. Birinci polarizör, dikeyden 50°'lik bir mesafede hizalanmış bir iletim eksenine sahiptir. İkinci polarizör, dikeyden 20o uzaklıkta hizalanmış iletim eksenine sahiptir.
Işığın ilk polarizörden çıktığında ne kadar yoğun olduğunu hesaplayarak Malus Yasasının bir testi yapılabilir:
4 W/m 2
16 çünkü 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Işık polarize değildir, yani I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
İkinci polarizörden gelen ışığın yoğunluğu:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 çünkü 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Formülasyonu, ışığın ilk polarizörden ayrıldığında, 50o'de lineer olarak polarize olduğunu doğrulayan Malus Yasası tarafından izlenir. Bununla ikinci polarizörün aktarım ekseni arasındaki açı 30°'dir. Bu nedenle:
I 2=I 1 çünkü 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Şimdi, 16 W/m 2 yoğunluğa sahip bir ışık huzmesinin lineer polarizasyonu aynı polarizör çiftine düşüyor. Gelen ışığın polarizasyon yönü dikeyden 20o'dir.
Birinci ve ikinci polarizörlerden gelen ışığın yoğunluğu. Her bir polarizörden geçerken yoğunluk 3/4 oranında azalır. İlk polarizörden ayrıldıktan sonrayoğunluk 163/4 =12 W/m2 olup saniyeyi geçtikten sonra 123/4=9 W/m2'ye düşmektedir.
Malus yasası polarizasyonu, ışığı bir polarizasyon yönünden diğerine çevirmek için daha fazla polarizör kullanarak yoğunluk kaybının azaldığını söyler.
Diyelim ki polarizasyon yönünü 90o döndürmeniz gerekiyor.
| N, polarizör sayısı | Ardışık polarizörler arasındaki açı | 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 |
Brewster Yansıma Açısının Hesaplanması
Işık bir yüzeye çarptığında, ışığın bir kısmı yansır ve bir kısmı da nüfuz eder (kırılır). Bu yansıma ve kırılmanın nispi miktarı, ışığın içinden geçen maddelere ve ayrıca ışığın yüzeye çarpma açısına bağlıdır. Işığın mümkün olduğunca kırılmasına (nüfuz etmesine) izin veren, maddelere bağlı olarak optimal bir açı vardır. Bu optimal açı, İskoç fizikçi David Brewster'ın açısı olarak bilinir.
Açıyı hesaplaSıradan polarize beyaz ışık için Brewster şu formülle üretilir:
teta=arktan (n1 / n2), burada teta Brewster açısıdır ve n1 ve n2 iki ortamın kırılma indisleridir.
Camdan maksimum ışık penetrasyonu için en iyi açıyı hesaplamak için - kırılma indisi tablosundan hava için kırılma indisinin 1.00 ve cam için kırılma indisinin 1.50 olduğunu bulduk.
Brewster açısı arktan (1.50 / 1.00)=arktan (1.50)=56 derece (yaklaşık olarak) olacaktır.
Maksimum su penetrasyonu için en iyi ışık açısını hesaplama. Kırılma indeksleri tablosundan, havanın indeksinin 1.00 ve su için kırılma indeksinin 1.33 olduğunu takip eder.
Brewster açısı arktan (1.33 / 1.00)=arktan (1.33)=53 derece (yaklaşık olarak) olacaktır.
Polarize ışık kullanımı
Basit bir meslekten olmayan kişi, dünyada polarizörlerin ne kadar yoğun kullanıldığını hayal bile edemez. Malus yasasının ışığının kutuplaşması bizi her yerde çevreliyor. Örneğin, Polaroid güneş gözlükleri gibi popüler şeylerin yanı sıra kamera lensleri için özel polarize filtrelerin kullanılması. Çeşitli bilimsel araçlar, lazerler veya akkor lambaları ve floresan kaynakları polarize ederek yayılan polarize ışığı kullanır.
Polarizerler bazen parlamayı az altmak ve daha eşit aydınlatma sağlamak için oda ve sahne aydınlatmasında ve 3D filmlere görünür bir derinlik hissi vermek için gözlük olarak kullanılır. Çapraz polarizörler bileuyurken bir astronotun gözlerine giren ışık miktarını büyük ölçüde az altmak için uzay giysilerinde kullanılır.
Doğadaki optiğin sırları
Neden mavi gökyüzü, kırmızı gün batımı ve beyaz bulutlar? Bu sorular çocukluktan beri herkes tarafından bilinmektedir. Malus ve Brewster yasaları bu doğal etkiler için açıklamalar sağlar. Gökyüzümüz güneş sayesinde gerçekten rengarenk. Parlak beyaz ışığı, içinde gökkuşağının tüm renklerini barındırır: kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, çivit mavisi ve menekşe. Belirli koşullar altında, bir kişi ya bir gökkuşağıyla ya da gün batımıyla ya da akşamın geç saatlerinde gri bir renkle karşılaşır. Gökyüzü, güneş ışığının "saçılması" nedeniyle mavidir. Mavi renk, diğer renklerden daha kısa dalga boyuna ve daha fazla enerjiye sahiptir.
Sonuç olarak, mavi hava molekülleri tarafından seçici olarak emilir ve ardından tekrar her yöne salınır. Diğer renkler daha az dağınıktır ve bu nedenle genellikle görünmez. Öğle güneşi mavi rengini aldıktan sonra sarıdır. Gün doğumunda veya gün batımında güneş ışığı düşük bir açıyla girer ve atmosferin büyük bir bölümünden geçmelidir. Sonuç olarak, mavi renk tamamen dağılır, böylece çoğu hava tarafından tamamen emilir, kaybolur ve diğer renkleri, özellikle turuncu ve kırmızıları saçarak muhteşem bir renk ufku oluşturur.
Güneş ışığının renkleri, ister çimen yeşili ister turkuaz okyanus olsun, Dünya'da sevdiğimiz tüm tonlardan sorumludur. Her nesnenin yüzeyi, yansıtacağı belirli renkleri seçer.kendini ayırt et. Bulutlar genellikle parlak beyazdır çünkü her rengin mükemmel yansıtıcıları veya yayıcılarıdır. Döndürülen tüm renkler, nötr beyaza eklenir. Süt, tebeşir ve şeker gibi bazı malzemeler tüm renkleri eşit şekilde yansıtır.
Astronomide polarizasyon hassasiyetinin önemi
Uzun bir süre, Malus yasasının incelenmesi, kutuplaşmanın astronomideki etkisi göz ardı edildi. Starlight neredeyse tamamen polarize değildir ve standart olarak kullanılabilir. Astronomide polarize ışığın varlığı bize ışığın nasıl yaratıldığını söyleyebilir. Bazı süpernovalarda yayılan ışık polarize değildir. Yıldızın bakılan kısmına bağlı olarak farklı bir polarizasyon görülebilir.
Nebulanın farklı bölgelerinden gelen ışığın polarizasyonuyla ilgili bu bilgi, araştırmacılara gölgeli yıldızın konumuna dair ipuçları verebilir.
Diğer durumlarda, polarize ışığın varlığı, görünmez galaksinin tüm kısmı hakkında bilgi verebilir. Astronomide polarizasyona duyarlı ölçümlerin bir başka kullanımı, manyetik alanların varlığını tespit etmektir. Bilim adamları, güneşin koronasından yayılan çok özel ışık renklerinin dairesel polarizasyonunu inceleyerek, bu yerlerdeki manyetik alanın gücü hakkında bilgi buldular.
Optik mikroskopi
Polarize ışık mikroskobu, içinden görülebilen örnekleri gözlemlemek ve fotoğraflamak için tasarlanmıştır.optik olarak anizotropik doğaları. Anizotropik malzemeler, içinden geçen ışığın yayılma yönü ile değişen optik özelliklere sahiptir. Bu görevi gerçekleştirmek için, mikroskop hem numunenin önündeki ışık yoluna yerleştirilmiş bir polarizör hem de objektif arka açıklığı ile görüntüleme tüpleri veya kamera portu arasındaki optik yola yerleştirilmiş bir analizör (ikinci polarizör) ile donatılmalıdır..
Biyotıpta polarizasyon uygulaması
Günümüzdeki bu popüler eğilim, vücudumuzda optik olarak aktif olan, yani içlerinden geçen ışığın polarizasyonunu döndürebilen birçok bileşiğin bulunması gerçeğine dayanmaktadır. Optik olarak aktif çeşitli bileşikler, ışığın polarizasyonunu farklı miktarlarda ve farklı yönlerde döndürebilir.
Bazı optik olarak aktif kimyasallar, göz hastalığının erken evrelerinde daha yüksek konsantrasyonlarda bulunur. Doktorlar bu bilgiyi gelecekte göz hastalıklarını teşhis etmek için potansiyel olarak kullanabilirler. Doktorun hastanın gözüne polarize bir ışık kaynağı tuttuğunu ve retinadan yansıyan ışığın polarizasyonunu ölçtüğü düşünülebilir. Göz hastalığını test etmek için non-invaziv bir yöntem olarak kullanılır.
Modernliğin hediyesi - LCD ekran
LCD ekrana yakından bakarsanız, görüntünün bir ızgarada düzenlenmiş geniş bir renkli kareler dizisi olduğunu fark edeceksiniz. Onlarda Malus yasasının uygulamasını buldular,her kare veya pikselin kendi rengine sahip olduğu koşulları yaratan sürecin fiziği. Bu renk, her yoğunlukta kırmızı, yeşil ve mavi ışığın birleşimidir. Bu ana renkler, insan gözünün görebildiği her rengi yeniden üretebilir çünkü gözlerimiz üç renklidir.
Başka bir deyişle, üç renk kanalının her birinin yoğunluğunu analiz ederek ışığın belirli dalga boylarını tahmin ederler.
Ekranlar, her bir alıcı türünü seçici olarak hedefleyen yalnızca üç dalga boyunu görüntüleyerek bu eksiklikten yararlanır. Sıvı kristal faz, moleküllerin katmanlar halinde yönlendirildiği ve sonraki her katmanın sarmal bir model oluşturmak için hafifçe büküldüğü temel durumda bulunur.
7-segment LCD ekran:
- Pozitif elektrot.
- Negatif elektrot.
- Polarizer 2.
- Ekran.
- Polarizer 1.
- Sıvı kristal.
Burada LCD, elektrotlarla donatılmış iki cam plaka arasındadır. Sıvı kristaller olarak adlandırılan "bükülmüş moleküller" içeren şeffaf kimyasal bileşiklerin LCD'leri. Bazı kimyasallardaki optik aktivite olgusu, polarize ışık düzlemini döndürme yeteneklerinden kaynaklanmaktadır.
Stereopsis 3D filmler
Polarizasyon, iki görüntü arasındaki farkları analiz ederek insan beyninin sahte 3D yapmasına olanak tanır. İnsanlar 3 boyutlu göremez, gözlerimiz sadece 2 boyutlu görebilir. Görüntüler. Ancak beynimiz, her bir gözün gördüğü farklılıkları analiz ederek nesnelerin ne kadar uzakta olduğunu anlayabilir. Bu işlem Stereopsis olarak bilinir.
Beynimiz yalnızca sözde 3D görebildiği için, film yapımcıları hologramlara başvurmadan bu süreci üç boyutlu bir illüzyon yaratmak için kullanabilirler. Tüm 3D filmler, her bir göz için bir tane olmak üzere iki fotoğraf sunarak çalışır. 1950'lere gelindiğinde, polarizasyon görüntü ayırmanın baskın yöntemi haline gelmişti. Tiyatrolarda, her bir lensin üzerinde doğrusal bir polarizör bulunan iki projektör aynı anda çalışmaya başladı.
Mevcut 3D film nesli için teknoloji, yönlendirme sorununu çözen dairesel polarizasyona geçti. Bu teknoloji şu anda RealD tarafından üretiliyor ve 3D pazarının %90'ını oluşturuyor. RealD, saat yönünde ve saat yönünün tersine polarizasyon arasında çok hızlı geçiş yapan dairesel bir filtre yayınladı, bu nedenle iki yerine yalnızca bir projektör kullanıldı.
