Es ist schwierig herauszufinden, wer als erster polarisiertes Licht entdeckt hat. Menschen der Antike konnten einen besonderen Fleck bemerken, indem sie den Himmel in bestimmte Richtungen betrachteten. Polarisierung hat viele Macken, manifestiert sich in unterschiedlichen Lebensbereichen und ist heute Gegenstand massenhafter Forschung und Anwendung, der Grund für alles ist das Gesetz von Malus.
Entdeckung des polarisierten Lichts
Wikinger haben möglicherweise die Himmelspolarisation zum Navigieren verwendet. Auch wenn sie es nicht taten, fanden sie definitiv Island und den wunderbaren Calcit-Stein. Isländischer Spat (Kalzit) war schon zu ihrer Zeit bekannt, den Einwohnern Islands verdankt er seinen Namen. Das Mineral wurde einst aufgrund seiner einzigartigen optischen Eigenschaften in der Navigation verwendet. Es spielte eine wichtige Rolle bei der modernen Entdeckung der Polarisation und ist nach wie vor das Material der Wahl zur Trennung der Polarisationskomponenten von Licht.
1669 sah der dänische Mathematiker der Universität Kopenhagen, Erasmus Bartholinus, nicht nur ein doppeltes Licht, sondern führte auch einige Experimente durch und schrieb eine 60-seitige Abhandlung. Daswar die erste wissenschaftliche Beschreibung des Polarisationseffekts, und der Autor kann als Entdecker dieser erstaunlichen Eigenschaft des Lichts gelten.
Christian Huygens entwickelte die Impulswellentheorie des Lichts, die er 1690 in seinem berühmten Buch Traite de la Lumiere veröffentlichte. Zur gleichen Zeit entwickelte Isaac Newton in seinem Buch „Opticks“(1704) die Korpuskulartheorie des Lichts. Am Ende war beides richtig und falsch, da Licht eine duale Natur hat (Welle und Teilchen). Doch Huygens war dem modernen Verständnis des Prozesses näher.
1801 führte Thomas Young das berühmte Doppelsp alt-Interferenzexperiment durch. Es wurde bewiesen, dass sich Licht wie Wellen verhält und die Überlagerung von Wellen zu Dunkelheit führen kann (destruktive Interferenz). Er benutzte seine Theorie, um Dinge wie Newtons Ringe und übernatürliche Regenbogenbögen zu erklären. Ein Durchbruch in der Wissenschaft gelang einige Jahre später, als Jung zeigte, dass die Polarisation auf die Transversalwellennatur des Lichts zurückzuführen ist.
Der junge Etienne Louis Malus lebte in einer turbulenten Zeit - während der Französischen Revolution und der Terrorherrschaft. Er nahm mit Napoleons Armee an der Invasion Ägyptens sowie Palästinas und Syriens teil, wo er sich einige Jahre später die Pest zuzog, die ihn tötete. Aber er hat es geschafft, einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Polarisierung zu leisten. Das Gesetz von Malus, das die Intensität des durch einen Polarisator übertragenen Lichts vorhersagte, ist zu einem der beliebtesten im 21. Jahrhundert bei der Herstellung von Flüssigkristallbildschirmen geworden.
Sir David Brewster, renommierter Wissenschaftsautor, studierte optische Physik wie Dichroismus und SpektrenAbsorption sowie beliebtere Themen wie Stereofotografie. Brewsters berühmter Satz ist bekannt: "Alles ist durchsichtig außer Glas".
Er leistete auch einen unschätzbaren Beitrag zum Studium des Lichts:
- Das Gesetz, das den "Polarisationswinkel" beschreibt.
- Erfindung des Kaleidoskops.
Brewster wiederholte Malus' Experimente für viele Edelsteine und andere Materialien, entdeckte eine Anomalie im Glas und entdeckte das Gesetz - "Brewster's angle". Ihm zufolge „bildet bei polarisiertem Strahl der reflektierte Strahl mit dem gebrochenen Strahl einen rechten Winkel.“
Malus Polarisierungsgesetz
Bevor wir über Polarisation sprechen, müssen wir uns zuerst an Licht erinnern. Licht ist eine Welle, obwohl es manchmal ein Teilchen ist. Aber auf jeden Fall macht Polarisation Sinn, wenn wir uns das Licht als Welle, als Linie vorstellen, auf dem Weg von der Lampe zu den Augen. Das meiste Licht ist ein gemischtes Durcheinander von Lichtwellen, die in alle Richtungen schwingen. Diese Schwingungsrichtung wird Polarisation des Lichts genannt. Der Polarisator ist das Gerät, das dieses Durcheinander beseitigt. Es nimmt alles auf, was Licht mischt und lässt nur Licht durch, das in eine bestimmte Richtung schwingt.
Die Formulierung des Malus-Gesetzes lautet: Wenn ein vollständig flach polarisiertes Licht auf den Analysator fällt, ist die Intensität des vom Analysator übertragenen Lichts direkt proportional zum Quadrat des Kosinus des Winkels zwischen den Übertragungsachsen des Analysators und der Polarisator.
Eine transversale elektromagnetische Welle enthält sowohl ein elektrisches als auch ein magnetisches Feld, und das elektrische Feld in einer Lichtwelle ist senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle. Die Richtung der Lichtschwingung ist der elektrische Vektor E.
Bei einem gewöhnlichen unpolarisierten Strahl ändert der elektrische Vektor seine Richtung zufällig, wenn Licht durch ein Polaroid geleitet wird. Das resultierende Licht ist eben polarisiert, wobei sein elektrischer Vektor in einer bestimmten Richtung schwingt. Die Richtung des austretenden Strahlvektors hängt von der Ausrichtung des Polaroids ab, und die Polarisationsebene ist als Ebene ausgelegt, die den E-Vektor und den Lichtstrahl enthält.
Die folgende Abbildung zeigt flach polarisiertes Licht aufgrund des vertikalen Vektors EI und des horizontalen Vektors EII.
Unpolarisiertes Licht geht durch ein Polaroid P 1 und dann durch ein Polaroid P 2 und bildet mit y ax-s einen Winkel θ. Nachdem Licht, das sich entlang der x-Richtung ausbreitet, das Polaroid P 1 passiert hat, schwingt der mit dem polarisierten Licht verbundene elektrische Vektor nur entlang der y-Achse.
Wenn wir nun diesen polarisierten Strahl wieder durch das polarisierte P 2 passieren lassen und dabei einen Winkel θ mit der y-Achse bilden, dann ist, wenn E 0 die Amplitude des auf P 2 einfallenden elektrischen Feldes ist, dann die Amplitude von die aus P 2 kommende Welle ist gleich E 0 cosθ und daher ist die Intensität des austretenden Strahls gemäß dem Malus-Gesetz (Formel) I=I 0 cos 2 θ
wobei I 0 die Intensität des aus P 2 austretenden Strahls ist, wenn θ=0 istθ ist der Winkel zwischen den Übertragungsebenen des Analysators und des Polarisators.
Beispiel zur Berechnung der Lichtintensität
Malus' Gesetz: I 1=I o cos 2 (q);
wobei q der Winkel zwischen der Lichtpolarisationsrichtung und der Transmissionsachse des Polarisators ist.
Unpolarisiertes Licht mit der Intensität I o=16 W/m 2 fällt auf ein Polarisatorpaar. Der erste Polarisator hat eine Transmissionsachse, die in einem Abstand von 50° zur Vertikalen ausgerichtet ist. Beim zweiten Polarisator ist die Transmissionsachse in einem Abstand von 20o zur Vertikalen ausgerichtet.
Ein Test des Malus-Gesetzes kann durchgeführt werden, indem berechnet wird, wie intensiv das Licht ist, wenn es aus dem ersten Polarisator austritt:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Licht ist nicht polarisiert, also I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Lichtintensität des zweiten Polarisators:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Gefolgt vom Malus-Gesetz, dessen Formulierung bestätigt, dass das Licht, wenn es den ersten Polarisator verlässt, bei 50o linear polarisiert wird. Der Winkel zwischen diesem und der Transmissionsachse des zweiten Polarisators beträgt 30°. Also:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Nun trifft die lineare Polarisation eines Lichtstrahls mit einer Intensität von 16 W/m 2 auf dasselbe Polarisatorpaar. Die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts ist 20o von der Vertikalen.
Intensität des Lichts, das aus dem ersten und zweiten Polarisator kommt. Beim Durchgang durch jeden Polarisator nimmt die Intensität um den Faktor 3/4 ab. Nach Verlassen des ersten Polarisatorsdie Intensität beträgt 163/4 =12 W/m2 und nimmt nach Ablauf der Sekunde auf 123/4 =9 W/m2 ab.
Polarisation nach dem malusischen Gesetz besagt, dass der Intensitätsverlust durch die Verwendung von mehr Polarisatoren reduziert wird, um Licht von einer Polarisationsrichtung in eine andere umzulenken.
Angenommen, Sie müssen die Polarisationsrichtung um 90° dreheno.
| N, Anzahl Polarisatoren | Winkel zwischen aufeinanderfolgenden Polarisatoren | 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 |
Berechnung des Brewster-Reflexionswinkels
Wenn Licht auf eine Oberfläche trifft, wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein Teil davon durchdringt (gebrochen). Der relative Betrag dieser Reflexion und Brechung hängt von den Substanzen ab, die das Licht passieren, sowie von dem Winkel, in dem das Licht auf die Oberfläche trifft. Je nach Stoff gibt es einen optimalen Winkel, der das Licht möglichst stark brechen (durchdringen) lässt. Dieser optimale Winkel ist als Winkel des schottischen Physikers David Brewster bekannt.
Winkel berechnenBrewster für gewöhnliches polarisiertes weißes Licht wird durch die Formel erzeugt:
theta=arctan (n1 / n2), wobei Theta der Brewster-Winkel und n1 und n2 die Brechungsindizes der beiden Medien sind.
Um den besten Winkel für maximalen Lichteinfall durch Glas zu berechnen - aus der Brechungsindextabelle entnehmen wir, dass der Brechungsindex für Luft 1,00 und der Brechungsindex für Glas 1,50 beträgt.
Der Brewster-Winkel wäre arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 Grad (ungefähr).
Berechnung des besten Lichtwinkels für maximales Eindringen von Wasser. Aus der Brechungsindextabelle folgt, dass der Brechungsindex für Luft 1,00 und der Brechungsindex für Wasser 1,33 beträgt.
Der Brewster-Winkel wäre arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 Grad (ungefähr).
Verwendung von polarisiertem Licht
Ein einfacher Laie kann sich gar nicht vorstellen, wie intensiv Polarisatoren in der Welt eingesetzt werden. Die Polarisierung des Lichts des Gesetzes von Malus umgibt uns überall. Zum Beispiel so beliebte Dinge wie Polaroid-Sonnenbrillen sowie die Verwendung spezieller Polarisationsfilter für Kameraobjektive. Verschiedene wissenschaftliche Instrumente verwenden polarisiertes Licht, das von Lasern oder von polarisierenden Glühlampen und fluoreszierenden Quellen emittiert wird.
Polarisatoren werden manchmal in der Raum- und Bühnenbeleuchtung verwendet, um Blendung zu reduzieren und für eine gleichmäßigere Beleuchtung zu sorgen, und als Gläser, um 3D-Filmen ein sichtbares Gefühl von Tiefe zu verleihen. Gekreuzte Polarisatoren sogarWird in Raumanzügen verwendet, um die Lichtmenge, die während des Schlafens in die Augen eines Astronauten eindringt, drastisch zu reduzieren.
Geheimnisse der Optik in der Natur
Warum blauer Himmel, roter Sonnenuntergang und weiße Wolken? Diese Fragen sind jedem seit seiner Kindheit bekannt. Die Gesetze von Malus und Brewster liefern Erklärungen für diese natürlichen Effekte. Unser Himmel ist wirklich bunt, dank der Sonne. Sein helles weißes Licht enthält alle Farben des Regenbogens: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Unter bestimmten Bedingungen trifft eine Person entweder auf einen Regenbogen oder einen Sonnenuntergang oder einen grauen späten Abend. Der Himmel ist wegen der "Streuung" des Sonnenlichts blau. Die Farbe Blau hat eine kürzere Wellenlänge und mehr Energie als andere Farben.
Dadurch wird Blau selektiv von Luftmolekülen aufgenommen und in alle Richtungen wieder abgegeben. Andere Farben sind weniger gestreut und daher normalerweise nicht sichtbar. Die Mittagssonne ist gelb, nachdem sie ihre blaue Farbe absorbiert hat. Bei Sonnenauf- oder -untergang tritt das Sonnenlicht in einem niedrigen Winkel ein und muss eine große Dicke der Atmosphäre passieren. Dadurch wird die blaue Farbe gründlich gestreut, so dass das meiste davon vollständig von der Luft absorbiert wird, verloren geht und andere Farben, insbesondere Orange und Rot, zerstreut, wodurch ein herrlicher Farbhorizont entsteht.
Die Farben des Sonnenlichts sind auch für all die Farbtöne verantwortlich, die wir auf der Erde lieben, ob Grasgrün oder das türkisfarbene Meer. Die Oberfläche jedes Objekts wählt die spezifischen Farben aus, die es reflektiert, um sie zu reflektierenunterscheide dich. Wolken sind oft strahlend weiß, weil sie ausgezeichnete Reflektoren oder Diffusoren jeder Farbe sind. Alle zurückgegebenen Farben werden zu Neutralweiß addiert. Einige Materialien reflektieren alle Farben gleichmäßig, wie Milch, Kreide und Zucker.
Die Bedeutung der Polarisationsempfindlichkeit in der Astronomie
Lange Zeit wurde beim Studium des Malus-Gesetzes der Effekt der Polarisation in der Astronomie ignoriert. Sternenlicht ist fast vollständig unpolarisiert und kann als Standard verwendet werden. Das Vorhandensein von polarisiertem Licht in der Astronomie kann uns sagen, wie Licht erzeugt wurde. Bei einigen Supernovae ist das emittierte Licht nicht unpolarisiert. Je nach betrachtetem Teil des Sterns ist eine andere Polarisation zu sehen.
Diese Informationen über die Polarisation des Lichts aus verschiedenen Regionen des Nebels könnten Forschern Hinweise auf die Position des beschatteten Sterns geben.
In anderen Fällen kann das Vorhandensein von polarisiertem Licht Informationen über den gesamten Teil der unsichtbaren Galaxie enthüllen. Eine weitere Anwendung polarisationsempfindlicher Messungen in der Astronomie ist die Erkennung von Magnetfeldern. Durch die Untersuchung der zirkularen Polarisation sehr spezifischer Lichtfarben, die von der Korona der Sonne ausgehen, haben Wissenschaftler Informationen über die Stärke des Magnetfelds an diesen Orten aufgedeckt.
Optische Mikroskopie
Das Polarisationsmikroskop dient zum Beobachten und Fotografieren von durchsichtigen Probenihre optisch anisotrope Natur. Anisotrope Materialien haben optische Eigenschaften, die sich mit der Ausbreitungsrichtung des durch sie hindurchtretenden Lichts ändern. Um diese Aufgabe zu erfüllen, muss das Mikroskop sowohl mit einem Polarisator ausgestattet sein, der irgendwo vor der Probe im Lichtweg platziert ist, als auch mit einem Analysator (zweiter Polarisator), der im Strahlengang zwischen der hinteren Objektivöffnung und den Betrachtungstuben oder der Kameraöffnung platziert ist.
Anwendung der Polarisierung in der Biomedizin
Dieser heute beliebte Trend basiert auf der Tatsache, dass es in unserem Körper viele Verbindungen gibt, die optisch aktiv sind, das heißt, sie können die Polarisation des durch sie hindurchtretenden Lichts drehen. Verschiedene optisch aktive Verbindungen können die Polarisation von Licht unterschiedlich stark und in unterschiedliche Richtungen drehen.
Einige optisch aktive Chemikalien sind in den frühen Stadien von Augenerkrankungen in höheren Konzentrationen vorhanden. Dieses Wissen könnten Mediziner in Zukunft möglicherweise zur Diagnose von Augenkrankheiten nutzen. Man kann sich vorstellen, dass der Arzt eine polarisierte Lichtquelle in das Auge des Patienten richtet und die Polarisation des von der Netzhaut reflektierten Lichts misst. Wird als nicht-invasive Methode zum Testen von Augenkrankheiten verwendet.
Das Geschenk der Moderne - LCD-Bildschirm
Wenn Sie sich den LCD-Bildschirm genau ansehen, werden Sie feststellen, dass das Bild aus einer großen Anordnung farbiger Quadrate besteht, die in einem Raster angeordnet sind. In ihnen fanden sie Anwendung des Gesetzes von Malus,die Physik des Prozesses, der die Bedingungen geschaffen hat, unter denen jedes Quadrat oder Pixel seine eigene Farbe hat. Diese Farbe ist eine Kombination aus rotem, grünem und blauem Licht in jeder Intensität. Diese Primärfarben können jede Farbe reproduzieren, die das menschliche Auge sehen kann, da unsere Augen trichromatisch sind.
Mit anderen Worten, sie nähern sich bestimmten Wellenlängen des Lichts an, indem sie die Intensität jedes der drei Farbkanäle analysieren.
Displays nutzen diesen Mangel aus, indem sie nur drei Wellenlängen anzeigen, die selektiv auf jeden Rezeptortyp abzielen. Die Flüssigkristallphase existiert im Grundzustand, in dem die Moleküle in Schichten orientiert sind und jede nachfolgende Schicht sich leicht verdreht, um ein spiralförmiges Muster zu bilden.
7-Segment-LCD-Anzeige:
- Positive Elektrode.
- Negative Elektrode.
- Polarisator 2.
- Anzeige.
- Polarisator 1.
- Flüssigkristall.
Hier befindet sich das LCD zwischen zwei Glasplatten, die mit Elektroden versehen sind. LCDs aus transparenten chemischen Verbindungen mit „verdrehten Molekülen“, die als Flüssigkristalle bezeichnet werden. Das Phänomen der optischen Aktivität einiger Chemikalien beruht auf ihrer Fähigkeit, die Ebene des polarisierten Lichts zu drehen.
3D-Stereopsis-Filme
Polarisation ermöglicht es dem menschlichen Gehirn, 3D vorzutäuschen, indem es die Unterschiede zwischen zwei Bildern analysiert. Menschen können nicht in 3D sehen, unsere Augen können nur in 2D sehen. Bilder. Unser Gehirn kann jedoch erkennen, wie weit Objekte entfernt sind, indem es die Unterschiede in dem analysiert, was jedes Auge sieht. Dieser Vorgang ist als Stereopsis bekannt.
Da unser Gehirn nur Pseudo-3D sehen kann, können Filmemacher mit diesem Verfahren die Illusion von Dreidimensionalität erzeugen, ohne auf Hologramme zurückgreifen zu müssen. Alle 3D-Filme funktionieren, indem sie zwei Fotos liefern, eines für jedes Auge. In den 1950er Jahren war die Polarisation zur vorherrschenden Methode der Bildtrennung geworden. Theater begannen, zwei Projektoren gleichzeitig laufen zu lassen, mit einem linearen Polarisator über jeder Linse.
Für die aktuelle Generation von 3D-Filmen hat die Technologie auf zirkulare Polarisation umgestellt, die das Orientierungsproblem löst. Diese Technologie wird derzeit von RealD hergestellt und macht 90 % des 3D-Marktes aus. RealD hat einen Zirkularfilter herausgebracht, der sehr schnell zwischen rechts- und linksdrehender Polarisation umsch altet, sodass nur ein Projektor statt zwei verwendet wird.
