تشخیص اینکه چه کسی اولین کسی بود که نور قطبی شده را کشف کرد دشوار است. مردم باستان با نگاه کردن به آسمان در جهات خاصی متوجه یک نقطه عجیب و غریب می شدند. قطبی شدن خصلت های زیادی دارد، در عرصه های مختلف زندگی خود را نشان می دهد و امروزه موضوع تحقیقات و کاربرد انبوه است، دلیل همه چیز قانون مالوس است.
کشف نور پلاریزه
وایکینگ ها ممکن است از قطبش آسمان برای مسیریابی استفاده کرده باشند. حتی اگر این کار را نمی کردند، قطعا ایسلند و سنگ کلسیت شگفت انگیز را پیدا کردند. اسپار ایسلندی (کلسیت) حتی در زمان خود شناخته شده بود، این ساکنان ایسلند هستند که او نام خود را مدیون آنهاست. این ماده معدنی زمانی در ناوبری به دلیل خواص نوری منحصر به فردش مورد استفاده قرار می گرفت. این ماده نقش مهمی در کشف مدرن قطبش داشت و همچنان ماده انتخابی برای جداسازی اجزای قطبش نور است.
در سال 1669، ریاضیدان دانمارکی از دانشگاه کپنهاگ، اراسموس بارتولینوس، نه تنها نور دوگانه را دید، بلکه آزمایش هایی را انجام داد و خاطرات 60 صفحه ای نوشت. این هستاولین توصیف علمی از اثر قطبی شدن بود و نویسنده را می توان کاشف این خاصیت شگفت انگیز نور دانست.
کریستین هویگنس نظریه امواج پالسی نور را توسعه داد که در سال 1690 در کتاب معروف خود Traite de la Lumiere منتشر کرد. در همان زمان، آیزاک نیوتن نظریه جسمی نور را در کتاب خود به نام Opticks (1704) پیش برد. در نهایت، هر دو درست و غلط بودند، زیرا نور ماهیت دوگانه دارد (موج و ذره). با این حال هویگنز به درک مدرن این فرآیند نزدیک‌تر بود.
در سال 1801، توماس یانگ آزمایش تداخل دو شکاف معروف را انجام داد. ثابت شد که نور مانند امواج رفتار می کند و برهم نهی امواج می تواند منجر به تاریکی (تداخل مخرب) شود. او از نظریه خود برای توضیح چیزهایی مانند حلقه های نیوتن و کمان های رنگین کمان ماوراء طبیعی استفاده کرد. چند سال بعد، زمانی که یونگ نشان داد که قطبش به دلیل ماهیت موج عرضی نور است، پیشرفتی در علم حاصل شد.
اتین لوئیس مالوس جوان در دورانی پرتلاطم زندگی می کرد - در طول انقلاب فرانسه و سلطنت وحشت. او با ارتش ناپلئون در حمله به مصر و همچنین فلسطین و سوریه شرکت کرد و چند سال بعد به طاعون مبتلا شد که او را کشت. اما او توانست سهم مهمی در درک قطبی شدن داشته باشد. قانون مالوس، که شدت نور منتقل شده از طریق یک پلاریزه را پیش بینی می کرد، در قرن بیست و یکم در هنگام ایجاد صفحات کریستال مایع به یکی از محبوب ترین ها تبدیل شده است.
سر دیوید بروستر، نویسنده علمی مشهور، موضوعات فیزیک نوری مانند دورنگی و طیف را مطالعه کرد.جذب، و همچنین سوژه های محبوب تر مانند عکاسی استریو. جمله معروف بروستر معروف است: "همه چیز شفاف است به جز شیشه".
او همچنین سهم ارزشمندی در مطالعه نور انجام داد:
- قانونی که "زاویه قطبش" را توصیف می کند.
- اختراع کالیدوسکوپ.
بروستر آزمایش های مالوس را برای بسیاری از جواهرات و مواد دیگر تکرار کرد و یک ناهنجاری در شیشه کشف کرد و قانون "زاویه بروستر" را کشف کرد. به گفته وی، "…هنگامی که پرتو قطبی می شود، پرتو بازتابی با پرتو شکسته زاویه قائمه تشکیل می دهد."
قانون پلاریزاسیون Malus
قبل از اینکه در مورد قطبش صحبت کنیم، ابتدا باید نور را به خاطر بسپاریم. نور یک موج است، اگرچه گاهی اوقات یک ذره است. اما در هر صورت، قطبش منطقی به نظر می رسد اگر نور را به عنوان یک موج، به عنوان یک خط، در حالی که از لامپ به سمت چشم حرکت می کند، در نظر بگیریم. بیشتر نورها ترکیبی از امواج نور هستند که در همه جهات ارتعاش دارند. به این جهت نوسان، قطبش نور می گویند. پلاریزر وسیله ای است که این آشفتگی را پاک می کند. هر چیزی را می پذیرد که نور را با هم مخلوط کند و فقط نوری را که در یک جهت خاص در نوسان است عبور می دهد.
فرمول قانون مالوس به این صورت است: وقتی یک نور پلاریزه کاملاً مسطح روی آنالایزر می افتد، شدت نوری که توسط آنالایزر منتقل می شود با مجذور کسینوس زاویه بین محورهای انتقال آنالایزر و آنالایزر متناسب است. پلاریزه کننده.
یک موج الکترومغناطیسی عرضی شامل یک میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی است و میدان الکتریکی در یک موج نوری عمود بر جهت انتشار موج نور است. جهت ارتعاش نور بردار الکتریکی E است.
برای یک پرتو غیرقطبی معمولی، وقتی نور از یک پلاروئید عبور می کند، بردار الکتریکی به طور تصادفی جهت خود را تغییر می دهد، نور حاصل به صورت پلاریزه شده با بردار الکتریکی آن در جهت خاصی ارتعاش می کند. جهت بردار پرتو در حال ظهور بستگی به جهت پلاروید دارد و صفحه قطبش به صورت صفحه ای حاوی بردار E و پرتو نور طراحی شده است.
شکل زیر نور پلاریزه مسطح را به دلیل بردار عمودی EI و بردار افقی EII نشان می دهد.
نور غیرقطبی از یک پولاروید P 1 و سپس از یک پولاروید P 2 عبور می کند و یک زاویه θ را با y ax-s تشکیل می دهد. پس از انتشار نور در امتداد جهت x از پولاروید P 1 عبور کرد، بردار الکتریکی مرتبط با نور پلاریزه شده فقط در امتداد محور y می لرزد.
حالا اگر اجازه دهیم این پرتو قطبی شده دوباره از P 2 قطبیده عبور کند و با محور y زاویه θ ایجاد کند، اگر E 0 دامنه میدان الکتریکی فرودی P2 باشد، دامنه موجی که از P 2 خارج می شود، برابر با E 0 cosθ خواهد بود و بنابراین، شدت پرتو در حال ظهور مطابق قانون Malus (فرمول) I=I 0 cos 2 θ
خواهد بود.
جایی که I 0 شدت پرتوی است که از P 2 بیرون می آید وقتی θ=0θ زاویه بین صفحات انتقال تحلیلگر و قطبشگر است.
مثال محاسبه شدت نور
قانون Malus: I 1=I o cos 2 (q);
که در آن q زاویه بین جهت قطبش نور و محور انتقال قطبی کننده است.
نور غیرقطبی با شدت I o=16 W/m 2 روی یک جفت پلاریزر می افتد. قطبی کننده اول دارای یک محور انتقال است که در فاصله 50 درجه از عمودی تراز شده است. قطبش دوم دارای محور انتقال در فاصله 20 درجه از قائم است.
آزمایش قانون مالوس را می توان با محاسبه شدت نور هنگام خروج از اولین قطبی کننده انجام داد:
4 W/M 2
16 cos 2 50o
8 W/M 2
12 W/M 2
نور قطبی نیست، بنابراین I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
شدت نور از قطبش دوم:
I 2=4 وات بر متر 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
پیروی از قانون Malus، که فرمول آن تأیید می کند که وقتی نور از اولین پلاریزه کننده خارج می شود، در دمای 50 درجه به صورت خطی قطبی می شود. زاویه بین این و محور انتقال قطبی کننده دوم 30 [درجه] است. بنابراین:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
اکنون قطبش خطی یک پرتو نور با شدت 16 وات بر متر مربع روی همان جفت پلاریزه کننده می افتد. جهت قطبش نور فرودی 20 درجه از عمودی است.
شدت نوری که از پلاریایزر اول و دوم خارج می شود. با عبور از هر قطبی کننده، شدت ضریب 3/4 کاهش می یابد. پس از خروج از اولین پلاریزهشدت 163/4 =12 وات بر متر مربع است و پس از عبور از دوم به 123/4 =9 وات بر متر مربع کاهش می یابد.
قطب بندی قانون مالوسیا می گوید که برای تبدیل نور از یک جهت قطبش به جهت دیگر، کاهش شدت با استفاده از پلاریزه کننده های بیشتر کاهش می یابد.
فرض کنید که باید جهت قطبش را ۹۰ بچرخانیدo.
| N، تعداد پلاریزر | زاویه بین پلاریزه کننده های متوالی | I 1 / من 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 |
محاسبه زاویه بازتاب بروستر
هنگامی که نور به سطحی برخورد می کند، مقداری از نور منعکس می شود و بخشی از آن نفوذ می کند (انکسار). مقدار نسبی این انعکاس و شکست به مواد عبوری از نور و همچنین زاویه برخورد نور به سطح بستگی دارد. بسته به مواد، زاویه ای بهینه وجود دارد که به نور اجازه می دهد تا حد امکان شکست (نفوذ) شود. این زاویه بهینه به عنوان زاویه دیوید بروستر فیزیکدان اسکاتلندی شناخته می شود.
زاویه را محاسبه کنیدBrewster برای نور سفید پلاریزه معمولی با فرمول تولید می شود:
تتا=آرکتان (n1 / n2)،
که در آن تتا زاویه بروستر است و n1 و n2 ضریب شکست این دو محیط هستند.
برای محاسبه بهترین زاویه برای حداکثر نفوذ نور از شیشه - از جدول ضریب شکست در می یابیم که ضریب شکست برای هوا 1.00 و ضریب شکست برای شیشه 1.50 است.
زاویه بروستر آرکتان (1.50 / 1.00)=آرکتان (1.50)=56 درجه (تقریبا) خواهد بود.
محاسبه بهترین زاویه نور برای حداکثر نفوذ آب. از جدول ضریب شکست چنین بر می آید که ضریب شکست هوا 1.00 و ضریب شکست آب 1.33 است.
زاویه بروستر آرکتان (1.33 / 1.00)=آرکتان (1.33)=53 درجه (تقریبا) خواهد بود.
استفاده از نور پلاریزه
یک فرد غیر عادی حتی نمی تواند تصور کند که چگونه پولاریزه کننده ها در جهان به شدت مورد استفاده قرار می گیرند. قطبی شدن نور قانون مالوس همه جا ما را احاطه کرده است. به عنوان مثال، چیزهای محبوبی مانند عینک آفتابی پولاروید و همچنین استفاده از فیلترهای پلاریزه کننده ویژه برای لنزهای دوربین. ابزارهای علمی مختلف از نور پلاریزه ساطع شده توسط لیزر یا لامپ‌های رشته‌ای پلاریزه و منابع فلورسنت استفاده می‌کنند.
پلاریزرها گاهی در نورپردازی اتاق و صحنه برای کاهش تابش خیره کننده و ایجاد روشنایی یکنواخت و به عنوان عینک برای ایجاد حس قابل مشاهده از عمق به فیلم های سه بعدی استفاده می شوند. پلاریزرهای متقاطع حتیدر لباس‌های فضایی برای کاهش شدید نوری که هنگام خواب به چشم فضانورد وارد می‌شود استفاده می‌شود.
رازهای اپتیک در طبیعت
چرا آسمان آبی، غروب سرخ و ابرهای سفید؟ این سوالات از دوران کودکی برای همه شناخته شده است. قوانین Malus و Brewster توضیحاتی را برای این اثرات طبیعی ارائه می دهند. آسمان ما واقعاً رنگارنگ است، به لطف خورشید. نور سفید روشن آن همه رنگ های رنگین کمان را در درون خود دارد: قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش. تحت شرایط خاص، یک فرد یا رنگین کمان، یا غروب خورشید، یا اواخر عصر خاکستری ملاقات می کند. آسمان به دلیل "پراکندگی" نور خورشید آبی است. رنگ آبی نسبت به رنگ‌های دیگر طول موج کوتاه‌تر و انرژی بیشتری دارد.
در نتیجه، آبی به طور انتخابی توسط مولکول های هوا جذب می شود و سپس دوباره در همه جهات آزاد می شود. رنگ های دیگر کمتر پراکنده هستند و بنابراین معمولا قابل مشاهده نیستند. خورشید ظهر پس از جذب رنگ آبی خود زرد می شود. هنگام طلوع یا غروب خورشید، نور خورشید با زاویه کم وارد می شود و باید از ضخامت زیادی از جو عبور کند. در نتیجه رنگ آبی کاملاً پراکنده می شود، به طوری که بیشتر آن کاملاً جذب هوا می شود و رنگ های دیگر به ویژه نارنجی و قرمز را از بین می برد و یک افق رنگی باشکوه ایجاد می کند.
رنگ های نور خورشید نیز مسئول تمام رنگ هایی است که ما روی زمین دوست داریم، چه رنگ سبز چمنی یا اقیانوس فیروزه ای. سطح هر جسم رنگ های خاصی را انتخاب می کند که منعکس می شودخود را متمایز کنید ابرها اغلب سفید درخشان هستند، زیرا آنها بازتاب دهنده یا پخش کننده عالی هر رنگی هستند. همه رنگ های برگشتی با هم به رنگ سفید خنثی اضافه می شوند. برخی از مواد مانند شیر، گچ و شکر همه رنگ ها را به طور یکنواخت منعکس می کنند.
اهمیت حساسیت قطبی شدن در نجوم
برای مدت طولانی، مطالعه قانون مالوس، تأثیر قطبش در نجوم نادیده گرفته شد. نور ستاره تقریباً کاملاً غیرقطبی است و می توان از آن به عنوان استاندارد استفاده کرد. وجود نور پلاریزه در نجوم می تواند به ما بگوید که نور چگونه ایجاد شده است. در برخی از ابرنواخترها، نور ساطع شده غیرقطبی نیست. بسته به قسمتی از ستاره که مشاهده می شود، قطبش متفاوتی را می توان مشاهده کرد.
این اطلاعات در مورد قطبش نور از مناطق مختلف سحابی می تواند سرنخ هایی از مکان ستاره سایه دار به محققان بدهد.
در موارد دیگر، وجود نور قطبی شده می تواند اطلاعاتی را درباره کل قسمت کهکشان نامرئی آشکار کند. یکی دیگر از کاربردهای اندازه گیری های حساس به قطبش در نجوم، تشخیص وجود میدان های مغناطیسی است. دانشمندان با مطالعه قطبش دایره ای رنگ های بسیار خاص نوری که از تاج خورشید ساطع می شوند، اطلاعاتی در مورد قدرت میدان مغناطیسی در این مکان ها کشف کردند.
میکروسکوپ نوری
میکروسکوپ نور پلاریزه برای مشاهده و عکسبرداری از نمونه هایی طراحی شده است که از طریق آنها قابل رویت هستند.ماهیت ناهمسانگرد نوری آنها. مواد ناهمسانگرد دارای خواص نوری هستند که با جهت انتشار نور از آنها تغییر می کند. برای انجام این کار، میکروسکوپ باید هم به یک پلاریزه کننده در مسیر نور در جایی جلوی نمونه و هم یک آنالایزر (قطبی کننده دوم) در مسیر نوری بین دیافراگم عقب هدف و لوله های دید یا درگاه دوربین مجهز باشد..
کاربرد پلاریزاسیون در زیست پزشکی
این روند محبوب امروزه بر این اساس استوار است که در بدن ما ترکیبات زیادی وجود دارد که از نظر نوری فعال هستند، یعنی می توانند قطبش نور عبوری از آنها را بچرخانند. ترکیبات مختلف نوری فعال می توانند قطبش نور را در مقادیر و جهات مختلف بچرخانند.
برخی از مواد شیمیایی فعال نوری با غلظت های بالاتر در مراحل اولیه بیماری چشم وجود دارند. پزشکان به طور بالقوه می توانند از این دانش برای تشخیص بیماری های چشمی در آینده استفاده کنند. می توان تصور کرد که پزشک یک منبع نور پلاریزه را به چشم بیمار می تاباند و قطبش نور منعکس شده از شبکیه را اندازه می گیرد. به عنوان یک روش غیر تهاجمی برای آزمایش بیماری چشم استفاده می شود.
هدیه مدرنیته - صفحه نمایش LCD
اگر به صفحه LCD دقت کنید، متوجه خواهید شد که تصویر مجموعه بزرگی از مربع های رنگی است که در یک شبکه مرتب شده اند. در آنها، آنها اجرای قانون مالوس را یافتند،فیزیک فرآیند که شرایطی را ایجاد می کند که هر مربع یا پیکسل رنگ خاص خود را داشته باشد. این رنگ ترکیبی از نور قرمز، سبز و آبی در هر شدت است. این رنگ‌های اصلی می‌توانند هر رنگی را که چشم انسان می‌تواند ببیند، تولید مثل کنند، زیرا چشم‌های ما سه رنگ هستند.
به عبارت دیگر، آنها با تجزیه و تحلیل شدت هر یک از سه کانال رنگ، طول موج های خاصی از نور را تقریب می زنند.
نمایش‌ها از این نقص فقط با نمایش سه طول موج که به طور انتخابی هر نوع گیرنده را هدف قرار می‌دهند، استفاده می‌کنند. فاز کریستال مایع در حالت پایه وجود دارد، که در آن مولکول ها در لایه ها جهت گیری می کنند و هر لایه بعدی کمی می پیچد تا یک الگوی مارپیچ ایجاد کند.
نمایشگر LCD ۷ قسمتی:
- الکترود مثبت.
- الکترود منفی.
- Polarizer 2.
- نمایش.
- Polarizer 1.
- کریستال مایع.
در اینجا LCD بین دو صفحه شیشه ای قرار دارد که مجهز به الکترود هستند. ال سی دی از ترکیبات شیمیایی شفاف با "مولکول های پیچ خورده" به نام کریستال مایع. پدیده فعالیت نوری در برخی از مواد شیمیایی به دلیل توانایی آنها در چرخش صفحه نور قطبی شده است.
فیلم های سه بعدی Stereopsis
قطبش به مغز انسان اجازه می دهد تا با تجزیه و تحلیل تفاوت های بین دو تصویر، سه بعدی جعل کند. انسانها نمی توانند به صورت سه بعدی ببینند، چشمان ما فقط می توانند به صورت دو بعدی ببینند.تصاویر. با این حال، مغز ما می تواند با تجزیه و تحلیل تفاوت در آنچه که هر چشم می بیند، درک کند که اجسام چقدر دور هستند. این فرآیند به عنوان Stereopsis شناخته می شود.
از آنجایی که مغز ما فقط می تواند شبه سه بعدی را ببیند، فیلمسازان می توانند از این فرآیند برای ایجاد توهم سه بعدی بدون توسل به هولوگرام استفاده کنند. همه فیلم‌های سه بعدی با ارائه دو عکس، یکی برای هر چشم، کار می‌کنند. در دهه 1950، قطبش به روش غالب جداسازی تصویر تبدیل شد. سالن‌ها شروع به کار همزمان دو پروژکتور با یک قطبش خطی روی هر لنز کردند.
برای نسل فعلی فیلم های سه بعدی، فناوری به قطبش دایره ای تغییر کرده است که مشکل جهت گیری را برطرف می کند. این فناوری در حال حاضر توسط RealD ساخته شده و 90 درصد از بازار سه بعدی را به خود اختصاص داده است. RealD یک فیلتر دایره ای منتشر کرد که بین قطبش عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت خیلی سریع جابجا می شود، بنابراین به جای دو پروژکتور فقط از یک پروژکتور استفاده می شود.
