Vad är ljuspolarisering och dess praktiska tillämpning

Polariserat ljus skiljer sig från vanligt ljus i sin utbredning. Den upptäcktes för ganska länge sedan och används både för fysikaliska experiment och i vardagen för att utföra vissa mätningar. Det är inte svårt att förstå fenomenet polarisation, det hjälper oss att förstå hur vissa apparater fungerar och varför ljuset inte sprider sig som det brukar under vissa förhållanden.

Jämför fotot med och utan polarisationsfilter, i det senare fallet finns det knappt någon bländning.

Vad är ljuspolarisering?

Ljusets polarisation visar att ljuset är en tvärgående våg. Det vill säga, vi talar om polarisation av elektromagnetiska vågor i allmänhet, och ljus är en av de sorter vars egenskaper följer allmänna regler.

Polarisation är egenskapen hos tvärgående vågor vars svängningsvektor alltid är vinkelrät mot ljusets eller något annat systems utbredningsriktning. Det vill säga, om man isolerar ljusstrålar med samma polarisationsvektor är det ett fenomen som kallas polarisation.

Oftast ser vi opoliserat ljus omkring oss, eftersom det har en intensitetsvektor som rör sig i alla möjliga riktningar. För att göra den polariserad passerar den genom ett anisotropt medium, som avbryter alla vibrationer och bara lämnar en kvar.

En jämförelse mellan vanligt och polariserat ljus.

Vem upptäckte fenomenet och vad det bevisar.

Begreppet i fråga användes först av den berömda brittiska forskaren И. Newton år 1706.. Men det var en annan forskare som förklarade dess natur. James Maxwell.. Vid den tiden kände man inte till ljusvågornas natur, men i takt med att olika fakta och resultat från olika experiment samlades upp, framkom allt fler bevis för att elektromagnetiska vågor är tvärgående.

Den första som experimenterade på detta område var den holländske upptäcktsresanden Huygens år 1690.. Han lät ljuset passera genom en platta av isländsk spärr och upptäckte därmed strålens tvärgående anisotropi.

Det första beviset på ljusets polarisation inom fysiken kom från den franska forskaren Э. Malus. Han använde sig av två turmalinplattor och kom så småningom fram till den lag som är uppkallad efter honom. Tack vare ett stort antal experiment kunde man bevisa att ljusvågorna var tvärgående, vilket bidrog till att förklara deras karaktär och utbredningsegenskaper.

Varifrån kommer polariseringen av ljuset och hur man kan få den själv?

Det mesta av det ljus vi ser är inte polariserat. Sol, artificiellt ljus - En ljusström med en vektor som oscillerar i olika riktningar sprider sig i alla riktningar utan någon begränsning.

Polariserat ljus uppträder efter att det har passerat genom ett anisotropt medium som kan ha olika egenskaper. Detta medium tar bort de flesta vibrationer och lämnar bara en, vilket ger den önskade effekten.

Den vanligaste polarisatorn är kristaller. Tidigare användes främst naturliga material (t.ex. turmalin), men nu finns det många konstgjorda alternativ.

Polariserat ljus kan också produceras genom reflektion från ett dielektrikum. Tanken är att när ljuset träffar ljusflöde vid gränsen mellan de två medierna bryts den. Detta kan enkelt ses genom att placera en penna eller ett rör i ett glas vatten.

Denna princip används i polarisationsmikroskop.

Vid ljusbrytning är en del av strålarna polariserade. Hur stor denna effekt är beror på läget. ljuskälla och ljusets infallsvinkel i förhållande till brytningsplatsen.

När det gäller metoden för att framställa polariserat ljus används en av tre varianter, oberoende av förhållandena:

1. Nicolas prisma. Uppkallad efter den skotska upptäcktsresanden Nicolas William, som uppfann den 1828. Han experimenterade länge och efter 11 år kunde han tillverka en färdig apparat som fortfarande används oförändrad.
2. Reflektion från ett dielektrikum. Här är det mycket viktigt att hitta den optimala infallsvinkeln och att ta hänsyn till graden av av brytning (Ju större skillnaden i transmittans mellan de två medierna är, desto mer bryts strålarna).
3. Användning av ett anisotropt medium. Oftast väljs kristaller med lämpliga egenskaper för detta ändamål. Om ljusflödet riktas mot dem kan en parallell separation observeras vid utgången.

Polarisation av ljus genom reflektion och refraktion vid gränssnittet mellan två dielektriska material.

Detta optiska fenomen upptäcktes av den skotska fysikern av David Brewster 1815.. Den lag som han härledde visade korrelationen mellan indexen hos två dielektriska material vid en viss infallsvinkel för ljuset. Om dessa villkor är uppfyllda kommer de strålar som reflekteras från de två mediernas korsningspunkt att polariseras i det plan som är vinkelrätt mot infallsvinkeln.

En illustration av Brewsters lag.

Forskaren noterade att den brytande strålen också är delvis polariserad i det infallande planet. Detta reflekterar inte allt ljus, utan en del av ljuset går ut i den brytande strålen. Brewster-vinkeln är den vinkel vid vilken reflekterat ljus är helt polariserad. De reflekterade och brytande strålarna är vinkelräta mot varandra.

För att förstå orsaken till detta fenomen måste man veta följande:

1. I alla elektromagnetiska vågor är det elektriska fältets vibrationer alltid vinkelräta mot rörelseriktningen.
2. Processen är uppdelad i två steg. I den första orsakar den infallande vågen en störning av de dielektriska molekylerna, och i den andra bryts och reflekteras vågorna.

Om vi i experimentet använder en enda skiva av kvarts eller ett annat lämpligt mineral, intensiteten av planpolariserat ljus kommer att vara liten (i storleksordningen 4 % av den totala intensiteten). Men om du använder en stapel av plattor kan du uppnå en betydande ökning av prestanda.

Förresten! Brewsters lag kan också härledas med hjälp av Fresnelformlerna.

Polarisering av ljus genom en kristall

Normala dielektriker är anisotropa och egenskaperna hos ljus som träffar dem beror huvudsakligen på infallsvinkeln. Kristaller har olika egenskaper, när ljus träffar dem kan man observera en dubbelbrytande effekt. Detta visar sig på följande sätt: två brytningsstrålar bildas när de passerar genom strukturen; de går i olika riktningar och deras hastigheter är också olika.

Enaxliga kristaller används oftast i experiment. En av brytningsstrålarna följer standardlagarna och kallas vanlig. Den andra strålen bildas på ett annat sätt, den kallas extraordinär, eftersom dess refraktion inte motsvarar de vanliga kanonerna.

Det är så här dubbel refraktion ser ut i diagrammet.

Om du roterar kristallen kommer den vanliga strålen att förbli oförändrad, medan den extraordinära strålen kommer att röra sig runt omkretsen. Kalcit eller isländsk fältspat används oftast i experiment, eftersom de är väl lämpade för forskning.

Förresten! Om du ser på din omgivning genom en kristall kommer konturerna av alla föremål att dela sig.

Baserat på experiment med kristaller Etienne Louis Malus formulerade en lag 1810. 1810, som är uppkallad efter honom. Han fick fram ett tydligt beroende av linjärt polariserat ljus efter att det har passerat genom en polarisator av kristaller. Strålens intensitet efter att ha passerat genom kristallen minskar i proportion till kvadraten på cosinus av den vinkel som bildas mellan den inkommande strålens polarisationsplan och filtret.

Videolektion: Ljusets polarisation, fysik i årskurs 11.

Praktiska tillämpningar av ljuspolarisering

Fenomenet i fråga används i vardagen mycket oftare än vad det verkar. Kunskap om lagarna för elektromagnetisk vågutbredning har bidragit till att skapa olika typer av utrustning. De viktigaste alternativen är följande:

1. Med speciella polariseringsfilter för kameror kan du bli av med bländning när du tar bilder.
2. Glasögon med den här effekten används ofta av bilister, eftersom de tar bort bländning från strålkastare från mötande bilar. Detta gör att inte ens helljuset kan blända föraren, vilket ökar säkerheten.
   Att det inte finns någon bländning beror på polarisationseffekten.
3. Den utrustning som används inom geofysiken gör det möjligt att studera molnmassornas egenskaper. Den används också för att studera polariseringsmönster hos solljuset när det passerar genom moln.
4. Särskild utrustning som tar bilder av kosmiska nebulosor i polariserat ljus hjälper oss att studera de speciella egenskaperna hos de magnetfält som uppstår där.
5. Inom maskinteknik används den så kallade fotolastiska metoden. Den kan användas för att tydligt identifiera de spänningar som uppstår i komponenter och sammansättningar.
6. Utrustning används. i teaterproduktioner och i konsertdekorationer. Ett annat användningsområde är skåp och utställningsmontrar.
7. Apparater som bestämmer sockernivån i en persons blod. De fungerar genom att bestämma rotationsvinkeln för polarisationsplanet.
8. Många företag inom livsmedelsindustrin använder utrustning för att bestämma koncentrationen av en eller annan lösning. Det finns också anordningar som kan övervaka proteiner, sockerarter och organiska syror med hjälp av polarisationsegenskaper.
9. 3D-filmer fungerar just genom att använda det fenomen som diskuteras i den här artikeln.

Förresten! De välkända monitorer med flytande kristaller och TV-apparater fungerar också på basis av polariserat flöde.

Kunskap om polarisationens grundläggande egenskaper hjälper till att förklara många av de effekter som finns runt om i världen. Det är också ett fenomen som används flitigt inom vetenskap, teknik, medicin, fotografi, film och många andra områden.