Rất khó để tìm ra ai là người đầu tiên phát hiện ra ánh sáng phân cực. Người cổ đại có thể nhận thấy một điểm đặc biệt bằng cách nhìn lên bầu trời theo những hướng nhất định. Sự phân cực có rất nhiều điều kỳ quặc, thể hiện trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống, và ngày nay nó là đối tượng được nghiên cứu và ứng dụng hàng loạt, lý do của mọi thứ là quy luật của Malus.
Khám phá ánh sáng phân cực
Người Viking có thể đã sử dụng phân cực bầu trời để điều hướng. Ngay cả khi họ không tìm thấy, họ chắc chắn đã tìm thấy Iceland và viên đá canxit tuyệt vời. Spar Iceland (canxit) đã được biết đến ngay cả trong thời đại của họ, đó là những cư dân của Iceland mà anh ta mang tên của mình. Khoáng chất này đã từng được sử dụng trong điều hướng do các đặc tính quang học độc đáo của nó. Nó đóng một vai trò quan trọng trong phát hiện hiện đại về sự phân cực và tiếp tục là vật liệu được lựa chọn để tách các thành phần phân cực của ánh sáng.
Năm 1669, nhà toán học Đan Mạch từ Đại học Copenhagen, Erasmus Bartholinus, không chỉ nhìn thấy ánh sáng đôi mà còn thực hiện một số thí nghiệm, viết một cuốn hồi ký dài 60 trang. Đây làlà mô tả khoa học đầu tiên về hiệu ứng phân cực và tác giả có thể được coi là người phát hiện ra đặc tính tuyệt vời này của ánh sáng.
Christian Huygens đã phát triển lý thuyết sóng xung của ánh sáng, được ông xuất bản năm 1690 trong cuốn sách nổi tiếng Traite de la Lumiere của mình. Đồng thời, Isaac Newton đã nâng cao lý thuyết ánh sáng trong cuốn sách Opticks (1704) của ông. Cuối cùng, cả hai đều đúng và sai, vì ánh sáng có bản chất kép (sóng và hạt). Tuy nhiên, Huygens đã tiến gần hơn đến hiểu biết hiện đại về quy trình.
Năm 1801, Thomas Young đã thực hiện thí nghiệm giao thoa khe kép nổi tiếng. Chứng minh rằng ánh sáng hoạt động giống như sóng, và sự chồng chất của sóng có thể dẫn đến bóng tối (giao thoa hủy diệt). Ông đã sử dụng lý thuyết của mình để giải thích những thứ như nhẫn của Newton và vòng cung cầu vồng siêu nhiên. Một bước đột phá trong khoa học đã đến vài năm sau đó khi Jung chỉ ra rằng sự phân cực là do bản chất sóng ngang của ánh sáng.
Etienne Louis Malus thời trẻ đã sống trong một thời kỳ hỗn loạn - trong cuộc Cách mạng Pháp và triều đại của khủng bố. Anh tham gia cùng quân đội của Napoléon trong cuộc xâm lược Ai Cập, cũng như Palestine và Syria, nơi anh mắc phải bệnh dịch hạch giết chết anh vài năm sau đó. Nhưng ông đã đóng góp quan trọng vào sự hiểu biết về sự phân cực. Định luật Malus, dự đoán cường độ ánh sáng truyền qua bộ phân cực, đã trở thành một trong những định luật phổ biến nhất trong thế kỷ 21 khi tạo ra màn hình tinh thể lỏng.
Ngài David Brewster, nhà văn khoa học nổi tiếng, đã nghiên cứu các môn vật lý quang học như lưỡng sắc và quang phổhấp thụ, cũng như các đối tượng phổ biến hơn như chụp ảnh âm thanh nổi. Câu nói nổi tiếng của Brewster được biết đến: "Mọi thứ đều trong suốt trừ thủy tinh".
Anh ấy cũng có đóng góp vô giá trong việc nghiên cứu ánh sáng:
- Định luật mô tả "góc phân cực".
- Phát minh ra kính vạn hoa.
Brewster lặp lại các thí nghiệm của Malus đối với nhiều loại đá quý và các vật liệu khác, phát hiện ra sự bất thường trong thủy tinh, và khám phá ra định luật - "góc của Brewster". Theo ông, “… khi chùm tia phân cực, chùm tia phản xạ tạo thành một góc vuông với chùm khúc xạ.”
Luật phân cực Malus
Trước khi chúng ta nói về sự phân cực, trước tiên chúng ta phải nhớ về ánh sáng. Ánh sáng là một làn sóng, mặc dù đôi khi nó là một hạt. Nhưng trong mọi trường hợp, sự phân cực có ý nghĩa nếu chúng ta coi ánh sáng như một sóng, như một đường, khi nó truyền từ đèn đến mắt. Hầu hết ánh sáng là một hỗn hợp hỗn hợp của các sóng ánh sáng dao động theo mọi hướng. Hướng dao động này được gọi là sự phân cực của ánh sáng. Máy phân cực là thiết bị dọn dẹp đống hỗn độn này. Nó chấp nhận bất cứ thứ gì kết hợp ánh sáng và chỉ cho phép ánh sáng truyền qua dao động theo một hướng cụ thể.
Công thức của Định luật Malus là: khi một ánh sáng phân cực phẳng chiếu vào máy phân tích, cường độ ánh sáng truyền qua máy phân tích tỷ lệ thuận với bình phương cosin của góc giữa trục truyền của máy phân tích và bộ phân cực.
Sóng điện từ ngang chứa cả điện trường và từ trường, điện trường trong sóng ánh sáng có phương vuông góc với phương truyền sóng ánh sáng. Hướng của dao động ánh sáng là vectơ điện E.
Đối với một chùm sáng không phân cực thông thường, vectơ điện tiếp tục thay đổi hướng của nó một cách ngẫu nhiên khi ánh sáng truyền qua một polaroid, ánh sáng thu được là một mặt phẳng phân cực với vectơ điện của nó dao động theo một hướng nhất định. Hướng của vectơ chùm tia ló ra phụ thuộc vào hướng của phân cực và mặt phẳng phân cực được thiết kế như một mặt phẳng chứa vectơ E và chùm tia sáng.
Hình dưới đây cho thấy ánh sáng phân cực phẳng do vectơ thẳng đứng EI và vectơ EII nằm ngang.
Ánh sáng không phân cực đi qua Polaroid P 1 và sau đó qua Polaroid P 2, tạo thành góc θ với y ax-s. Sau khi ánh sáng truyền theo phương x đi qua Polaroid P 1, vectơ điện liên kết với ánh sáng phân cực sẽ chỉ dao động dọc theo trục y.
Bây giờ nếu chúng ta cho chùm tia phân cực này đi qua phân cực P 2 một lần nữa, tạo một góc θ với trục y, thì nếu E 0 là biên độ của điện trường tới trên P 2, thì biên độ của sóng ra khỏi P 2, sẽ bằng E 0 cosθ và do đó, cường độ của chùm tia ló ra sẽ theo Định luật Malus (công thức) I=I 0 cos 2 θ
trong đó I 0 là cường độ chùm tia ló ra khỏi P 2 khi θ=0θ là góc giữa mặt phẳng truyền của máy phân tích và máy phân cực.
Ví dụ tính toán cường độ ánh sáng
Định luật Malus: I 1=I o cos 2 (q);
trong đó q là góc giữa hướng phân cực ánh sáng và trục truyền phân cực.
Ánh sáng không phân cực có cường độ I o=16 W / m 2 rơi vào một cặp bản cực. Bộ phân cực đầu tiên có trục truyền được căn chỉnh ở khoảng cách 50 [độ] so với phương thẳng đứng. Bộ phân cực thứ hai có trục truyền được căn chỉnh ở khoảng cách 20o so với phương thẳng đứng.
Một bài kiểm tra Định luật Malus có thể được thực hiện bằng cách tính toán cường độ ánh sáng khi nó ló ra từ tấm phân cực đầu tiên:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
Ánh sáng không phân cực nên I 1=1/2 I o=8 W / m 2.
Cường độ ánh sáng từ tấm phân cực thứ hai:
I 2=4 W / m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W / m 2
Tuân theo Định luật Malus, công thức xác nhận rằng khi ánh sáng rời khỏi bộ phân cực đầu tiên, nó sẽ phân cực tuyến tính ở 50o. Góc giữa trục này và trục truyền của bộ phân cực thứ hai là 30 [độ]. Do đó:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W / m 2.
Bây giờ sự phân cực tuyến tính của chùm ánh sáng có cường độ 16 W / m 2 rơi vào cùng một cặp phân cực. Hướng phân cực của ánh sáng tới là 20o so với phương thẳng đứng.
Cường độ ánh sáng phát ra từ bản phân cực thứ nhất và thứ hai. Đi qua mỗi bản phân cực thì cường độ giảm đi hệ số 3/4. Sau khi rời khỏi bộ phân cực đầu tiêncường độ là 163/4 =12 W / m2 và giảm xuống 123/4 =9 W / m2 sau khi qua giây thứ hai.
Sự phân cực theo luật Malusia nói rằng để chuyển ánh sáng từ hướng phân cực này sang hướng phân cực khác, sự suy giảm cường độ được giảm bớt bằng cách sử dụng nhiều bộ phân cực hơn.
Giả sử bạn cần xoay hướng phân cực 90o.
| N, số lượng phân cực | Góc giữa các phân cực liên tiếp | I1/ Io |
| 1 | 90o | 0 |
| 2 | 45o | 1/2 x 1/2=1/4 |
| 3 | 30o | 3/4 x 3/4 x 3/4=27/64 |
| N | 90 / N | [cos2(90o/ N)]N |
Tính toán Góc phản chiếu của Nhà sản xuất bia
Khi ánh sáng chiếu vào một bề mặt, một số ánh sáng bị phản xạ và một số ánh sáng xuyên qua (khúc xạ). Lượng tương đối của phản xạ và khúc xạ này phụ thuộc vào các chất đi qua ánh sáng, cũng như góc mà ánh sáng chạm vào bề mặt. Có một góc tối ưu, tùy thuộc vào các chất, cho phép ánh sáng khúc xạ (xuyên qua) càng nhiều càng tốt. Góc tối ưu này được gọi là góc của nhà vật lý người Scotland David Brewster.
Tính gócBrewster cho ánh sáng trắng phân cực thông thường được sản xuất theo công thức:
theta=arctan (n1 / n2), trong đó theta là góc Brewster, và n1 và n2 là chiết suất của hai môi trường.
Để tính góc tốt nhất để ánh sáng xuyên qua thủy tinh - từ bảng chiết suất, chúng ta thấy rằng chiết suất đối với không khí là 1.00 và chiết suất đối với thủy tinh là 1.50.
Góc Brewster sẽ là arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 độ (xấp xỉ).
Tính toán góc sáng tốt nhất để thấm nước tối đa. Từ bảng chiết suất, ta thấy chiết suất đối với không khí là 1,00 và chiết suất đối với nước là 1,33.
Góc Brewster sẽ là arctan (1.33 / 1.00)=arctan (1.33)=53 độ (xấp xỉ).
Sử dụng ánh sáng phân cực
Một người dân đơn giản thậm chí không thể tưởng tượng được các chất phân cực được sử dụng nhiều như thế nào trên thế giới. Sự phân cực của ánh sáng của định luật Malus bao quanh chúng ta ở khắp mọi nơi. Ví dụ, những thứ phổ biến như kính râm Polaroid, cũng như việc sử dụng các bộ lọc phân cực đặc biệt cho ống kính máy ảnh. Các công cụ khoa học khác nhau sử dụng ánh sáng phân cực phát ra từ tia laze hoặc đèn sợi đốt và nguồn huỳnh quang phân cực.
Kính phân cực đôi khi được sử dụng trong ánh sáng phòng và sân khấu để giảm độ chói và cung cấp ánh sáng đồng đều hơn và làm kính để mang lại cảm giác có thể nhìn thấy chiều sâu cho phim 3D. Phân cực chéo thậm chíđược sử dụng trong bộ quần áo vũ trụ để giảm đáng kể lượng ánh sáng đi vào mắt của phi hành gia khi đang ngủ.
Bí mật của quang học trong tự nhiên
Tại sao bầu trời xanh, hoàng hôn đỏ và mây trắng? Những câu hỏi này ai cũng biết từ nhỏ. Các định luật Malus và Brewster đưa ra lời giải thích cho những tác động tự nhiên này. Bầu trời của chúng ta thực sự đầy màu sắc, nhờ có mặt trời. Ánh sáng trắng sáng của nó có tất cả các màu của cầu vồng được nhúng bên trong: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm và tím. Trong những điều kiện nhất định, một người gặp cầu vồng, hoặc hoàng hôn, hoặc một buổi tối muộn xám xịt. Bầu trời trong xanh bởi sự "tán xạ" của ánh sáng mặt trời. Màu xanh lam có bước sóng ngắn hơn và nhiều năng lượng hơn các màu khác.
Kết quả là, màu xanh lam được hấp thụ một cách có chọn lọc bởi các phân tử không khí, và sau đó được giải phóng trở lại theo mọi hướng. Các màu khác ít bị phân tán hơn và do đó thường không nhìn thấy được. Nắng trưa vàng vọt sau khi hấp thụ màu xanh của nó. Vào lúc bình minh hoặc hoàng hôn, ánh sáng mặt trời chiếu vào ở góc thấp và phải đi qua độ dày lớn của khí quyển. Kết quả là, màu xanh lam bị phân tán triệt để, hầu hết bị hấp thụ hoàn toàn bởi không khí, làm mất đi và tán xạ các màu khác, đặc biệt là cam và đỏ, tạo ra một chân trời màu sắc rực rỡ.
Màu sắc của ánh sáng mặt trời cũng chịu trách nhiệm về tất cả các màu sắc mà chúng ta yêu thích trên Trái đất, cho dù đó là màu xanh của cỏ hay màu xanh ngọc của đại dương. Bề mặt của mỗi đối tượng chọn các màu cụ thể mà nó sẽ phản chiếu đểtự phân biệt. Mây thường có màu trắng rực rỡ vì chúng là vật phản xạ hoặc khuếch tán màu sắc tuyệt vời. Tất cả các màu đã trả lại được thêm vào với nhau thành màu trắng trung tính. Một số chất liệu phản ánh đồng đều tất cả các màu, chẳng hạn như sữa, phấn và đường.
Tầm quan trọng của độ nhạy phân cực trong thiên văn học
Trong một thời gian dài, việc nghiên cứu định luật Malus, ảnh hưởng của sự phân cực trong thiên văn học đã bị bỏ qua. Starlight gần như hoàn toàn không phân cực và có thể được sử dụng như một tiêu chuẩn. Sự hiện diện của ánh sáng phân cực trong thiên văn học có thể cho chúng ta biết ánh sáng được tạo ra như thế nào. Ở một số sao băng, ánh sáng phát ra không phải là ánh sáng không phân cực. Tùy thuộc vào phần của ngôi sao được quan sát, có thể thấy sự phân cực khác nhau.
Thông tin này về sự phân cực của ánh sáng từ các vùng khác nhau của tinh vân có thể cung cấp cho các nhà nghiên cứu manh mối về vị trí của ngôi sao bị che bóng.
Trong các trường hợp khác, sự hiện diện của ánh sáng phân cực có thể tiết lộ thông tin về toàn bộ phần của thiên hà vô hình. Một công dụng khác của phép đo nhạy phân cực trong thiên văn học là phát hiện sự hiện diện của từ trường. Bằng cách nghiên cứu sự phân cực tròn của các màu rất cụ thể của ánh sáng phát ra từ vành nhật hoa của mặt trời, các nhà khoa học đã khám phá ra thông tin về cường độ của từ trường ở những nơi này.
Kính hiển vi quang học
Kính hiển vi ánh sáng phân cực được thiết kế để quan sát và chụp ảnh các mẫu vật có thể nhìn thấy quabản chất dị hướng quang học của chúng. Vật liệu dị hướng có tính chất quang học thay đổi theo hướng truyền của ánh sáng truyền qua chúng. Để thực hiện nhiệm vụ này, kính hiển vi phải được trang bị cả bộ phân cực được đặt trong đường ánh sáng ở đâu đó phía trước mẫu và bộ phân tích (bộ phân cực thứ hai) được đặt trong đường quang học giữa khẩu độ phía sau của vật kính và các ống quan sát hoặc cổng camera..
Ứng dụng của phân cực trong y sinh
Xu hướng phổ biến ngày nay dựa trên thực tế là trong cơ thể chúng ta có rất nhiều hợp chất hoạt động về mặt quang học, tức là chúng có thể xoay chuyển sự phân cực của ánh sáng đi qua chúng. Các hợp chất hoạt động quang học khác nhau có thể xoay chuyển sự phân cực của ánh sáng với số lượng khác nhau và theo các hướng khác nhau.
Một số hóa chất hoạt tính quang học có ở nồng độ cao hơn trong giai đoạn đầu của bệnh mắt. Các bác sĩ có thể sử dụng kiến thức này để chẩn đoán các bệnh về mắt trong tương lai. Người ta có thể tưởng tượng rằng bác sĩ chiếu một nguồn sáng phân cực vào mắt bệnh nhân và đo độ phân cực của ánh sáng phản xạ từ võng mạc. Được sử dụng như một phương pháp không xâm lấn để kiểm tra bệnh mắt.
Món quà của sự hiện đại - Màn hình LCD
Nếu bạn nhìn kỹ vào màn hình LCD, bạn sẽ nhận thấy rằng hình ảnh là một mảng lớn các ô vuông màu được sắp xếp theo dạng lưới. Trong đó, họ thấy áp dụng luật Malus,vật lý của quá trình tạo ra các điều kiện khi mỗi hình vuông hoặc pixel có màu sắc riêng của nó. Màu này là sự kết hợp của ánh sáng đỏ, xanh lục và xanh lam theo từng cường độ. Những màu cơ bản này có thể tái tạo bất kỳ màu nào mà mắt người có thể nhìn thấy vì mắt của chúng ta là ba màu.
Nói cách khác, chúng ước tính các bước sóng ánh sáng cụ thể bằng cách phân tích cường độ của từng kênh trong số ba kênh màu.
Màn hình khai thác khuyết điểm này bằng cách chỉ hiển thị ba bước sóng nhắm mục tiêu có chọn lọc từng loại thụ thể. Pha tinh thể lỏng tồn tại ở trạng thái cơ bản, trong đó các phân tử được định hướng theo từng lớp và mỗi lớp tiếp theo sẽ xoắn nhẹ để tạo thành một mô hình xoắn ốc.
Màn hình LCD 7 đoạn:
- Điện cực dương.
- Điện cực âm.
- Polarizer 2.
- Hiển thị.
- Polarizer 1.
- Tinh thể lỏng.
Đây là màn hình LCD nằm giữa hai tấm kính, được trang bị các điện cực. Màn hình LCD của các hợp chất hóa học trong suốt với "các phân tử xoắn" được gọi là tinh thể lỏng. Hiện tượng hoạt động quang học trong một số hóa chất là do chúng có khả năng quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực.
Phim 3D stereo
Phân cực cho phép não người giả tạo 3D bằng cách phân tích sự khác biệt giữa hai hình ảnh. Con người không thể nhìn thấy ở dạng 3D, mắt của chúng ta chỉ có thể nhìn thấy ở dạng 2D. Hình ảnh. Tuy nhiên, bộ não của chúng ta có thể nhận biết được các vật ở xa như thế nào bằng cách phân tích sự khác biệt trong những gì mỗi mắt nhìn thấy. Quá trình này được gọi là Stereopsis.
Bởi vì não của chúng ta chỉ có thể nhìn thấy 3D giả, các nhà làm phim có thể sử dụng quy trình này để tạo ra ảo ảnh về ba chiều mà không cần dùng đến ảnh ba chiều. Tất cả phim 3D đều hoạt động bằng cách cung cấp hai ảnh, mỗi ảnh cho mỗi mắt. Vào những năm 1950, phân cực đã trở thành phương pháp phân tách ảnh chủ đạo. Rạp bắt đầu có hai máy chiếu chạy đồng thời, với một bộ phân cực tuyến tính trên mỗi thấu kính.
Đối với thế hệ phim 3D hiện tại, công nghệ đã chuyển sang phân cực tròn, giải quyết vấn đề định hướng. Công nghệ này hiện do RealD sản xuất và chiếm 90% thị trường 3D. RealD đã phát hành một bộ lọc hình tròn có thể chuyển đổi giữa phân cực theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ rất nhanh chóng, vì vậy chỉ sử dụng một máy chiếu thay vì hai máy chiếu.
