Поляризованный свет это: В МИРЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА | Наука и жизнь

I = I (o) • cos ² θ

, где I – интенсивность света, проходящего через анализатор (и общее количество света, прошедшего через пару скрещенных поляризаторов), I (o) – интенсивность света, падающего на поляризатор, а θ – угол между осями пропускания поляризатора и анализатора.Изучая уравнение, можно определить, что при пересечении двух поляризаторов ( θ = 90 градусов) интенсивность равна нулю. В этом случае свет, прошедший через поляризатор, полностью гасится анализатором. Когда поляризаторы частично пересекаются под углом 30 и 60 градусов, свет, пропускаемый анализатором, уменьшается на 25 и 75 процентов соответственно.

Поляризация рассеянного света

Молекулы газа и воды в атмосфере рассеивают свет от солнца во всех направлениях – эффект, ответственный за голубое небо, белые облака, красные закаты и явление, названное атмосферной поляризацией .Количество рассеянного света (называемое рэлеевским рассеянием ) зависит от размера молекул (водорода, кислорода, воды) и длины волны света, как продемонстрировал лорд Рэлей в 1871 году. Более длинные волны, такие как красный, оранжевый и желтый, рассеиваются не так эффективно, как более короткие волны, такие как фиолетовый и синий.

Поляризация атмосферы является прямым результатом рэлеевского рассеяния солнечного света молекулами газа в атмосфере.При ударе фотона от Солнца и молекулы газа электрическое поле фотона вызывает вибрацию и последующее переизлучение поляризованного света от молекулы (показано на рисунке 7). Излучаемый свет рассеивается под прямым углом к ​​направлению распространения солнечного света и поляризуется либо вертикально, либо горизонтально, в зависимости от направления рассеяния. Большая часть поляризованного света, падающего на Землю, поляризована по горизонтали (более 50 процентов), и этот факт можно подтвердить, наблюдая за небом через фильтр Polaroid.

Появились сообщения о том, что определенные виды насекомых и животных способны обнаруживать поляризованный свет, включая муравьев, плодовых мух и некоторых рыб, хотя на самом деле список может быть намного длиннее. Например, считается, что некоторые виды насекомых (в первую очередь медоносные пчелы) используют поляризованный свет для навигации к месту назначения. Также широко распространено мнение, что некоторые люди чувствительны к поляризованному свету и могут наблюдать желтую горизонтальную линию, наложенную на голубое небо, когда смотрят в направлении, перпендикулярном направлению солнца (явление, названное кистью Хайдингера ).Белки желтого пигмента, называемые желтого пятна , которые представляют собой дихроичные кристаллы, находящиеся в ямке человеческого глаза, приписывают способность человека видеть поляризованный свет.

Свет с эллиптической и круговой поляризацией

В линейно поляризованном свете электрический вектор колеблется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, как обсуждалось выше. Источники естественного света, такие как солнечный свет, и искусственные источники, включая лампы накаливания и флуоресцентные лампы, излучают свет с ориентацией электрического вектора, которая случайна в пространстве и времени.Свет этого типа обозначается неполяризованным . Кроме того, существует несколько состояний эллиптически поляризованного света , которые лежат между линейным и неполяризованным, в которых вектор электрического поля транскрибирует форму эллипса во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения световой волны.

Эллиптическая поляризация, в отличие от плоскополяризованного и неполяризованного света, имеет “смысл” вращения, который относится к направлению вращения электрического вектора вокруг оси распространения (падения) светового луча.Если смотреть с конца, направление поляризации может быть левосторонним или правосторонним, это свойство называется направленностью эллиптической поляризации. Вращение вектора по часовой стрелке называется правой поляризацией, а вращение против часовой стрелки представляет собой левую поляризацию.

В случаях, когда большая и малая векторные оси эллипса поляризации равны, световая волна попадает в категорию круговой поляризованного света и может быть как правосторонней, так и левовинтовой.Часто возникает другой случай, когда малая ось компоненты электрического вектора в эллиптически поляризованном свете стремится к нулю, и свет становится линейно поляризованным. Хотя каждый из этих мотивов поляризации может быть получен в лаборатории с помощью соответствующих оптических приборов, они также встречаются (в различной, но незначительной степени) в естественном неполяризованном свете.

Обычные и необычные световые волны, генерируемые, когда луч света проходит через двулучепреломляющий кристалл, имеют плоско-поляризованные электрические векторы, взаимно перпендикулярные друг другу.Кроме того, из-за различий в электронном взаимодействии, которое каждый компонент испытывает во время своего путешествия через кристалл, между двумя волнами обычно происходит фазовый сдвиг. Хотя обыкновенная и необыкновенная волны следуют по разным траекториям и широко разделены в кристалле кальцита, описанном ранее, это обычно не относится к кристаллическим материалам, оптическая ось которых перпендикулярна плоскости падающего света.

Особый класс материалов, известный как пластины компенсации или замедления , весьма полезен для получения света с эллиптической и круговой поляризацией для ряда приложений, включая поляризованную оптическую микроскопию.Эти двулучепреломляющие вещества выбраны потому, что, когда их оптическая ось расположена перпендикулярно падающему световому пучку, обычные и необыкновенные световые лучи следуют по идентичным траекториям и демонстрируют разность фаз, которая зависит от степени двулучепреломления. Поскольку пара ортогональных волн накладывается друг на друга, ее можно рассматривать как единую волну, имеющую взаимно перпендикулярные компоненты электрического вектора, разделенные небольшой разностью фаз. Когда векторы объединяются простым сложением в трехмерном пространстве, результирующая волна становится эллиптически поляризованной.

Эта концепция проиллюстрирована на рис. 8 , где результирующий электрический вектор не колеблется в одной плоскости, а постепенно вращается вокруг оси распространения световой волны, сметая эллиптическую траекторию, которая выглядит как спираль, когда волна рассматривается. под углом. Величина разности фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами (равной амплитуды) определяет, будет ли вектор двигаться по эллиптической или круговой траектории, когда волна рассматривается с конца с направления распространения.Если фазовый сдвиг составляет одну четверть или три четверти длины волны, то результирующим вектором будет начерчена круговая спираль. Однако фазовые сдвиги на половину или полную длину волны создают линейно поляризованный свет, а все другие фазовые сдвиги производят развертки, имеющие различную степень эллиптичности.

Когда обыкновенная и необыкновенная волны исходят из двулучепреломляющего кристалла, они колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях, имеющих общую интенсивность, которая является суммой их индивидуальных интенсивностей.Поскольку поляризованные волны имеют электрические векторы, которые колеблются в перпендикулярных плоскостях, волны не могут подвергаться интерференции. Этот факт влияет на способность двулучепреломляющих веществ создавать изображение. Интерференция может возникать только тогда, когда электрические векторы двух волн колеблются в одной плоскости во время пересечения, вызывая изменение амплитуды результирующей волны (требование для формирования изображения). Следовательно, прозрачные образцы, обладающие двойным лучепреломлением, останутся невидимыми, если они не будут исследованы между скрещенными поляризаторами, которые пропускают только те компоненты эллиптически и циркулярно поляризованных волн, которые параллельны оси поляризатора, ближайшего к наблюдателю.Эти компоненты способны создавать флуктуации амплитуды для создания контраста и выходить из поляризатора как линейно поляризованный свет.

Применение поляризованного света

Одним из наиболее распространенных и практических применений поляризации является жидкокристаллический дисплей (ЖКД), используемый во многих устройствах, включая наручные часы, компьютерные экраны, таймеры, часы и множество других. Эти системы отображения основаны на взаимодействии стержневидных жидкокристаллических молекул с электрическим полем и поляризованными световыми волнами.Жидкокристаллическая фаза существует в основном состоянии, которое называется , холестерический , в котором молекулы ориентированы слоями, и каждый последующий слой слегка скручен, образуя спиральный узор (, рис. 9, ). Когда поляризованные световые волны взаимодействуют с жидкокристаллической фазой, волна “закручивается” на угол примерно 90 градусов по отношению к падающей волне. Точная величина этого угла зависит от шага спирали холестерической жидкокристаллической фазы, который зависит от химического состава молекул (его можно точно настроить путем небольших изменений молекулярной структуры).

Отличный пример базового применения жидких кристаллов в устройствах отображения можно найти в семисегментном жидкокристаллическом цифровом дисплее (проиллюстрирован на рис. 9 ). Здесь жидкокристаллическая фаза зажата между двумя стеклянными пластинами, к которым прикреплены электроды, аналогичные тем, которые изображены на иллюстрации. В рис. 9 стеклянные пластины сконфигурированы с семью черными электродами, которые можно заряжать по отдельности (в реальных устройствах эти электроды прозрачны для света).Свет, проходящий через поляризатор 1, поляризован в вертикальном направлении, и, когда на электроды не подается ток, жидкокристаллическая фаза вызывает 90-градусное «закручивание» света, что позволяет ему проходить через поляризатор 2, который поляризован горизонтально и ориентирован перпендикулярно поляризатору 1. Затем этот свет может образовывать один из семи сегментов дисплея.

При подаче тока на электроды жидкокристаллическая фаза выравнивается с током и теряет структуру холестерической спирали.Свет, проходящий через заряженный электрод, не скручивается и блокируется поляризатором 2. За счет согласования напряжения на семи положительных и отрицательных электродах дисплей может отображать числа от 0 до 9. В этом примере верхний правый и нижний левый электроды заряжаются и блокируют проходящий через них свет, позволяя устройству отображения формировать число «2» (показано на рисунке наоборот).

Явление оптической активности в некоторых химических веществах происходит из их способности вращать плоскость поляризованного света.В эту категорию входят многие сахара, аминокислоты, органические натуральные продукты, определенные кристаллы и некоторые лекарства. Вращение измеряется путем помещения раствора целевого химического вещества между скрещенными поляризаторами в приборе, называемом полярископом. Впервые обнаруженный в 1811 году французским физиком Домиником Араго, оптическая активность играет важную роль во множестве биохимических процессов, в которых структурная геометрия молекул определяет их взаимодействие. Химические вещества, которые вращают плоскость колебаний поляризованного света по часовой стрелке, называются правовращающими , а те, которые вращают свет против часовой стрелки, именуются левовращающими .Два химических вещества, имеющих одинаковую молекулярную формулу, но разные оптические свойства, называются оптическими изомерами , которые вращают плоскость поляризованного света в разных направлениях.

Асимметричные кристаллы могут использоваться для получения поляризованного света при приложении электрического поля к поверхности. Обычное научное устройство, использующее эту концепцию, называется ячейкой Поккельса , которую можно использовать в сочетании с поляризованным светом для изменения направления поляризации на 90 градусов.Ячейки Поккельса могут очень быстро включаться и выключаться с помощью электрического тока и часто используются в качестве быстрых заслонок, которые позволяют свету проходить в течение очень коротких периодов времени (в пределах наносекунд). Представлено в Рис. 10 – схематическое изображение поляризованного света, проходящего через ячейку Поккельса (желтая волна). Зеленые и красные синусоидальные световые волны, исходящие из центральной области ячейки, представляют свет, поляризованный либо вертикально, либо горизонтально. Когда ячейка выключена, поляризованный свет не изменяется, когда он проходит (зеленая волна), но при активации или включении электрический вектор светового луча смещается на 90 градусов (красная волна).В ситуациях, когда доступны чрезвычайно большие электрические поля, молекулы некоторых жидкостей и газов могут вести себя как анизотропные кристаллы и выравниваться таким же образом. Ячейка Керра , предназначенная для размещения жидкостей и газов вместо кристаллов, также работает для изменения угла поляризованного света.

Другие области применения поляризованного света включают солнечные очки Polaroid, описанные выше, а также использование специальных поляризационных фильтров для линз фотоаппаратов.В различных научных инструментах используется поляризованный свет, излучаемый лазерами или поляризованный от источников накаливания и флуоресцентных источников с помощью множества методов. Поляризаторы иногда используются в комнатном и сценическом освещении, чтобы уменьшить блики и обеспечить более равномерную степень освещения, и их носят как очки, чтобы придать кажущееся ощущение глубины трехмерным фильмам. Перекрещенные поляризаторы даже используются в космических костюмах, чтобы резко снизить вероятность попадания солнечного света в глаза космонавта во время сна.

Поляризация света очень полезна во многих аспектах оптической микроскопии. Поляризованный световой микроскоп предназначен для наблюдения и фотографирования образцов, которые видны в первую очередь из-за их оптически анизотропных свойств. Анизотропные материалы обладают оптическими свойствами, которые меняются в зависимости от направления распространения проходящего через них света. Для выполнения этой задачи микроскоп должен быть оборудован поляризатором, размещенным на световом пути где-то перед образцом, и анализатором (вторым поляризатором), размещенным на оптическом пути между задней апертурой объектива и наблюдательными трубками. или порт камеры.

Контраст изображения возникает из-за взаимодействия плоско-поляризованного света с двулучепреломляющим (или двулучепреломляющим) образцом с образованием двух отдельных волновых компонентов, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Скорости этих компонентов различны и меняются в зависимости от направления распространения через образец. После выхода из образца световые компоненты находятся в противофазе и имеют эллиптическую геометрию, перпендикулярную направлению распространения, но рекомбинируют из-за конструктивной и деструктивной интерференции при прохождении через анализатор.Поляризованная световая микроскопия – это метод повышения контраста, который улучшает качество изображения, полученного с помощью двулучепреломляющих материалов, по сравнению с другими методами, такими как освещение темного и светлого поля, дифференциальный интерференционный контраст, фазовый контраст, контраст модуляции Хоффмана и флуоресценция. Кроме того, использование поляризованного света позволяет измерять оптические свойства минералов и подобных материалов и может помочь в классификации и идентификации неизвестных веществ.

Введение в поляризованный свет | Nikon’s MicroscopyU

Солнечный свет и почти все другие формы естественного и искусственного освещения создают световые волны, векторы электрического поля которых колеблются во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Если векторы электрического поля ограничиваются одной плоскостью за счет фильтрации луча специальными материалами, тогда свет упоминается как плоскость , или , линейно поляризованная по отношению к направлению распространения, и все волны колеблются в одной плоскости. плоскости называются плоскопараллельными или плоскополяризованными .

Человеческий глаз не способен различать случайно ориентированный и поляризованный свет, а плоско-поляризованный свет можно обнаружить только по интенсивности или цветовому эффекту, например, по уменьшению бликов при ношении поляризованных солнцезащитных очков. Фактически, люди не могут отличить высококонтрастные реальные изображения, наблюдаемые в поляризованном световом микроскопе, от идентичных изображений тех же образцов, снятых в цифровом виде (или на пленке), а затем проецируются на экран с неполяризованным светом.Основная концепция поляризованного света проиллюстрирована на рис. 1 для неполяризованного луча света, падающего на два линейных поляризатора. Векторы электрического поля изображаются в падающем световом луче в виде синусоидальных волн, колеблющихся во всех направлениях (360 градусов; хотя на рисунке включены только шесть волн, разнесенных с интервалом в 60 градусов). В действительности, векторы электрического поля падающего света колеблются перпендикулярно направлению распространения с равным распределением во всех плоскостях до встречи с первым поляризатором.

Поляризаторы, показанные на рис. 1 , на самом деле являются фильтрами, содержащими молекулы длинноцепочечного полимера, ориентированные в одном направлении. Поглощается только падающий свет, который колеблется в той же плоскости, что и ориентированные молекулы полимера, в то время как свет, колеблющийся под прямым углом к ​​плоскости полимера, проходит через первый поляризационный фильтр. Направление поляризации первого поляризатора ориентировано вертикально по отношению к падающему лучу, поэтому он будет пропускать только волны с вертикальными векторами электрического поля.Волна, проходящая через первый поляризатор, впоследствии блокируется вторым поляризатором, поскольку этот поляризатор ориентирован горизонтально по отношению к вектору электрического поля в световой волне. Концепция использования двух поляризаторов, ориентированных под прямым углом друг к другу, обычно называется скрещенной поляризацией и является фундаментальной для концепции микроскопии поляризованного света.

Первые ключи к разгадке существования поляризованного света появились примерно в 1669 году, когда Эразм Бартолин обнаружил, что кристаллы минерального исландского шпата (прозрачная бесцветная разновидность кальцита ) создают двойное изображение, когда объекты просматриваются через кристаллы в проходящем свете.Во время своих экспериментов Бартолин также наблюдал довольно необычное явление. Когда кристаллы кальцита вращаются вокруг определенной оси, одно из изображений движется по кругу вокруг другого, обеспечивая убедительное доказательство того, что кристаллы каким-то образом разделяют свет на два разных луча.

Спустя столетие французский физик Этьен Малюс исследовал изображения, сделанные светом, отраженным через кристаллы кальцита, и заметил, что при определенных обстоятельствах одно из изображений исчезнет.Он ошибочно предположил, что обычный дневной свет состоит из двух разных форм света, которые проходили через кристалл кальцита разными путями. Позже было установлено, что разница возникает из-за полярности света, проходящего через кристалл. Дневной свет состоит из света, колеблющегося во всех плоскостях, тогда как отраженный свет часто ограничивается одной плоскостью, параллельной поверхности, от которой отражается свет.

Поляризованный свет может быть получен с помощью обычных физических процессов, которые отклоняют световые лучи, включая поглощение, преломление, отражение, дифракцию (или рассеяние), и процесса, известного как двойное лучепреломление (свойство двойного лучепреломления).Свет, который отражается от плоской поверхности диэлектрического (или изолирующего) материала, часто частично поляризован, при этом электрические векторы отраженного света колеблются в плоскости, параллельной поверхности материала. Распространенными примерами поверхностей, отражающих поляризованный свет, являются невозмущенная вода, стекло, листовой пластик и дороги. В этих случаях световые волны, у которых векторы электрического поля параллельны поверхности, отражаются в большей степени, чем волны с другой ориентацией.Оптические свойства изолирующей поверхности определяют точное количество поляризованного отраженного света. Зеркала не являются хорошими поляризаторами, хотя широкий спектр прозрачных материалов действует как очень хорошие поляризаторы, но только если угол падающего света ориентирован в определенных пределах. Важным свойством отраженного поляризованного света является то, что степень поляризации зависит от угла падения света, при этом наблюдается увеличение поляризации для уменьшения углов падения.

При рассмотрении падения неполяризованного света на плоскую изолирующую поверхность существует уникальный угол, под которым все отраженные световые волны поляризованы в единую плоскость. Этот угол обычно называют углом Брюстера , и его можно легко вычислить, используя следующее уравнение для луча света, проходящего через воздух:

n = sin (θ _i ) / sin (θ _r ) = sin (θ _i ) / sin (θ _90-i ) = tan (θ _i )

, где n – показатель преломления среды, от которой отражается свет, θ ( i ) – угол падения, а θ ( r ) – угол преломления.Изучив уравнение, становится очевидным, что показатель преломления неизвестного образца можно определить по углу Брюстера. Эта функция особенно полезна в случае непрозрачных материалов, которые имеют высокие коэффициенты поглощения проходящего света, что делает неприменимую обычную формулу закона Снеллиуса. Определение степени поляризации с помощью методов отражения также упрощает поиск оси поляризации на незаметном листе поляризационной пленки.

Принцип, лежащий в основе угла Брюстера, проиллюстрирован Рисунок 3 для одиночного луча света, отражающегося от плоской поверхности прозрачной среды, имеющей более высокий показатель преломления, чем воздух.Падающий луч нарисован только с двумя плоскостями электрических векторных колебаний, но предназначен для представления света, имеющего колебания во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Когда луч достигает поверхности под критическим углом (угол Брюстера; представлен переменной θ на рисунке 3), степень поляризации отраженного луча составляет 100 процентов, а ориентация электрических векторов перпендикулярна плоскости. падения и параллельно отражающей поверхности.Плоскость падения определяется падающей, преломленной и отраженной волнами. Преломленный луч ориентирован под углом 90 градусов к отраженному лучу и поляризован лишь частично.

Для воды (показатель преломления 1,333), стекла (показатель преломления 1,515) и алмаза (показатель преломления 2,417) критические (Брюстеровские) углы составляют 53, 57 и 67,5 градусов соответственно. Свет, отраженный от поверхности шоссе под углом Брюстера, часто вызывает раздражающие и отвлекающие блики , которые можно довольно легко продемонстрировать, наблюдая за удаленной частью шоссе или поверхностью бассейна в жаркий солнечный день.Современные лазеры обычно используют угол Брюстера для получения линейно поляризованного света от отражений на зеркальных поверхностях, расположенных около концов лазерного резонатора.

Как обсуждалось выше, яркие отражения, исходящие от горизонтальных поверхностей, таких как шоссе или вода в бассейне, частично поляризованы векторами электрического поля, колеблющимися в направлении, параллельном земле. Этот свет может быть заблокирован поляризационными фильтрами, ориентированными в вертикальном направлении, как показано на рисунке 4, с парой поляризованных солнцезащитных очков.Линзы солнцезащитных очков имеют поляризационные фильтры, ориентированные вертикально по отношению к оправе. На рисунке голубые световые волны имеют векторы электрического поля, ориентированные в том же направлении, что и поляризационные линзы, и, таким образом, проходят сквозь них. Напротив, ориентация вибрации волны красного света перпендикулярна ориентации фильтра и блокируется линзами. Поляризационные солнцезащитные очки очень полезны при вождении на солнце или на пляже, где солнечный свет отражается от поверхности дороги или воды, что приводит к ослепляющим бликам.Поляризационные фильтры также весьма полезны в фотографии, где их можно прикрепить к передней части объектива камеры, чтобы уменьшить блики и увеличить общий контраст изображения на фотографиях или цифровых изображениях. Поляризаторы, используемые в камерах, обычно имеют монтажное кольцо, которое позволяет вращать их при использовании для достижения желаемого эффекта при различных условиях освещения.

Один из первых поляризационных фильтров был построен в начале девятнадцатого века французским ученым Франсуа Араго, который был активным исследователем природы поляризованного света.Араго исследовал полярность света, исходящего от различных источников в небе, и предложил теорию, согласно которой скорость света должна уменьшаться при переходе в более плотную среду. Он также работал с Огюстином Френелем над исследованием интерференции в поляризованном свете и обнаружил, что два луча света, поляризованные с ориентацией их колебаний перпендикулярно друг другу, не будут подвергаться интерференции. Поляризационные фильтры Араго, спроектированные и изготовленные в 1812 году, были сделаны из стопки спрессованных вместе стеклянных листов.

Большинство используемых сегодня поляризационных материалов получено из синтетических пленок, изобретенных доктором Эдвином Х. Ландом в 1932 году, которые вскоре вытеснили все другие материалы в качестве среды выбора для получения плоско-поляризованного света. Для получения пленок крошечные кристаллиты йодохининсульфата, ориентированные в одном направлении, внедряются в прозрачную полимерную пленку, чтобы предотвратить миграцию и переориентацию кристаллов. Листы наземной проявки, содержащие поляризационные пленки, которые продаются под торговой маркой Polaroid (зарегистрированная торговая марка), которая стала общепринятым общим термином для этих листов.Любое устройство, способное выделять плоско-поляризованный свет из естественного (неполяризованного) белого света, теперь называется поляризатором полярный или поляризатором , название, впервые введенное в 1948 году А. Ф. Халлимондом. Поскольку эти фильтры способны по-разному пропускать световые лучи, в зависимости от их ориентации относительно оси поляризатора, они демонстрируют форму дихроизма и часто называются дихроичными фильтрами .

Поляризованная световая микроскопия была впервые представлена ​​в девятнадцатом веке, но вместо использования материалов с поляризацией на пропускание свет поляризовался за счет отражения от стопки стеклянных пластин, установленных под углом 57 градусов к плоскости падения.Позже более совершенные инструменты основывались на кристалле дважды преломляющего материала (такого как кальцит), специально вырезанном и скрепленном вместе, чтобы сформировать призму. Луч белого неполяризованного света, входящий в кристалл этого типа, разделяется на две составляющие, поляризованные во взаимно перпендикулярных (ортогональных) направлениях.

Один из световых лучей, выходящих из двулучепреломляющего кристалла, называется обыкновенным лучом , а другой – необыкновенным лучом .Обычный луч в большей степени преломляется электростатическими силами в кристалле и ударяется о цементированную поверхность под критическим углом полного внутреннего отражения. В результате этот луч отражается от призмы и устраняется поглощением в оптической оправе. Необычный луч проходит через призму и появляется как луч линейно-поляризованного света, который проходит непосредственно через конденсор к образцу (расположенному на столике микроскопа).

Несколько версий призматических поляризационных устройств когда-то были широко доступны, и их обычно называли в честь своих разработчиков.Наиболее распространенная поляризационная призма (проиллюстрирована на рис. 5 ) была названа в честь Уильяма Николя, который в 1829 году впервые расколол и склеил вместе два кристалла исландского шпата канадским бальзамом. привело к новым достижениям в понимании взаимодействия между поляризованным светом и кристаллическими веществами.

Представлено в Рисунок 5 – это иллюстрация конструкции типичной призмы Николя.Кристалл материала с двойным преломлением (двойного лучепреломления), обычно кальцита, разрезается по плоскости, обозначенной a-b-c-d , и две половины затем склеиваются вместе для воспроизведения исходной формы кристалла. Луч неполяризованного белого света входит в кристалл слева и разделяется на две составляющие, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях. Один из этих лучей (обозначенный как обычный луч) преломляется в большей степени и ударяется о цементированную границу под углом, который приводит к его полному отражению от призмы через самую верхнюю грань кристалла.Другой луч (необычный луч) преломляется в меньшей степени и проходит через призму, чтобы выйти в виде плоскополяризованного луча света.

Другие конфигурации призм были предложены и сконструированы в девятнадцатом и начале двадцатого веков, но в настоящее время больше не используются для получения поляризованного света в современных приложениях. Призмы Николя очень дороги и громоздки, а также имеют очень ограниченную апертуру, что ограничивает их использование при большом увеличении. Вместо этого поляризованный свет в настоящее время чаще всего производится путем поглощения света, имеющего набор определенных направлений колебаний в фильтрующей среде (например, поляризационных пластинах), где ось пропускания фильтра перпендикулярна ориентации линейных полимеров и кристаллов, которые составляют поляризующий материал.

В современных поляризаторах поглощаются падающие световые волны, имеющие электрические векторные колебания, параллельные оси кристалла поляризатора. Многие падающие волны будут иметь наклонную векторную ориентацию, но не перпендикулярно оси кристалла, и будут только частично поглощаться. Степень поглощения наклонных световых волн зависит от угла колебаний, под которым они воздействуют на поляризатор. Те лучи, которые имеют углы, близкие к параллельным по отношению к оси кристалла, будут адсорбироваться в гораздо большей степени, чем те, которые имеют углы, близкие к перпендикуляру.Наиболее распространенные фильтры Polaroid (называемые H-серия ) пропускают только около 25 процентов падающего светового луча, но степень поляризации прошедших лучей превышает 99 процентов.

Ряд приложений, в первую очередь поляризационная оптическая микроскопия, используют скрещенных поляризаторов для исследования образцов с двойным лучепреломлением или двойным преломлением. Когда два поляризатора пересекаются, их оси передачи ориентированы перпендикулярно друг другу, и свет, проходящий через первый поляризатор, полностью гасится или поглощается вторым поляризатором, который обычно называют анализатором .Качество поглощения света дихроичным поляризационным фильтром определяет точно, сколько случайного света гаснет, когда поляризатор используется в скрещенной паре, и называется коэффициентом экстинкции поляризатора . Количественно коэффициент ослабления определяется соотношением света, который проходит пара поляризаторов, когда их оси передачи ориентированы параллельно, по сравнению с количеством света, проходящим, когда они расположены перпендикулярно друг другу. Как правило, коэффициенты экстинкции от 10 000 до 100 000 требуются для получения темно-черного фона и максимального наблюдаемого двулучепреломления (и контраста) образца в поляризованной оптической микроскопии.

I = I (o) • cos ² θ

, где I – интенсивность света, проходящего через анализатор (и общее количество света, прошедшего через пару скрещенных поляризаторов), I (o) – интенсивность света, падающего на поляризатор, а θ – угол между осями пропускания поляризатора и анализатора.Изучая уравнение, можно определить, что при пересечении двух поляризаторов ( θ = 90 градусов) интенсивность равна нулю. В этом случае свет, прошедший через поляризатор, полностью гасится анализатором. Когда поляризаторы частично пересекаются под углом 30 и 60 градусов, свет, пропускаемый анализатором, уменьшается на 25 и 75 процентов соответственно.

Поляризация рассеянного света

Молекулы газа и воды в атмосфере рассеивают свет от солнца во всех направлениях – эффект, ответственный за голубое небо, белые облака, красные закаты и явление, названное атмосферной поляризацией .Количество рассеянного света (называемое рэлеевским рассеянием ) зависит от размера молекул (водорода, кислорода, воды) и длины волны света, как продемонстрировал лорд Рэлей в 1871 году. Более длинные волны, такие как красный, оранжевый и желтый, рассеиваются не так эффективно, как более короткие волны, такие как фиолетовый и синий.

Поляризация атмосферы является прямым результатом рэлеевского рассеяния солнечного света молекулами газа в атмосфере.При ударе фотона от Солнца и молекулы газа электрическое поле фотона вызывает вибрацию и последующее переизлучение поляризованного света от молекулы (показано на рисунке 7). Излучаемый свет рассеивается под прямым углом к ​​направлению распространения солнечного света и поляризуется либо вертикально, либо горизонтально, в зависимости от направления рассеяния. Большая часть поляризованного света, падающего на Землю, поляризована по горизонтали (более 50 процентов), и этот факт можно подтвердить, наблюдая за небом через фильтр Polaroid.

Появились сообщения о том, что определенные виды насекомых и животных способны обнаруживать поляризованный свет, включая муравьев, плодовых мух и некоторых рыб, хотя на самом деле список может быть намного длиннее. Например, считается, что некоторые виды насекомых (в первую очередь медоносные пчелы) используют поляризованный свет для навигации к месту назначения. Также широко распространено мнение, что некоторые люди чувствительны к поляризованному свету и могут наблюдать желтую горизонтальную линию, наложенную на голубое небо, когда смотрят в направлении, перпендикулярном направлению солнца (явление, названное кистью Хайдингера ).Белки желтого пигмента, называемые желтого пятна , которые представляют собой дихроичные кристаллы, находящиеся в ямке человеческого глаза, приписывают способность человека видеть поляризованный свет.

Свет с эллиптической и круговой поляризацией

В линейно поляризованном свете электрический вектор колеблется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, как обсуждалось выше. Источники естественного света, такие как солнечный свет, и искусственные источники, включая лампы накаливания и флуоресцентные лампы, излучают свет с ориентацией электрического вектора, которая случайна в пространстве и времени.Свет этого типа обозначается неполяризованным . Кроме того, существует несколько состояний эллиптически поляризованного света , которые лежат между линейным и неполяризованным, в которых вектор электрического поля транскрибирует форму эллипса во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения световой волны.

Эллиптическая поляризация, в отличие от плоскополяризованного и неполяризованного света, имеет “смысл” вращения, который относится к направлению вращения электрического вектора вокруг оси распространения (падения) светового луча.Если смотреть с конца, направление поляризации может быть левосторонним или правосторонним, это свойство называется направленностью эллиптической поляризации. Вращение вектора по часовой стрелке называется правой поляризацией, а вращение против часовой стрелки представляет собой левую поляризацию.

В случаях, когда большая и малая векторные оси эллипса поляризации равны, световая волна попадает в категорию круговой поляризованного света и может быть как правосторонней, так и левовинтовой.Часто возникает другой случай, когда малая ось компоненты электрического вектора в эллиптически поляризованном свете стремится к нулю, и свет становится линейно поляризованным. Хотя каждый из этих мотивов поляризации может быть получен в лаборатории с помощью соответствующих оптических приборов, они также встречаются (в различной, но незначительной степени) в естественном неполяризованном свете.

Обычные и необычные световые волны, генерируемые, когда луч света проходит через двулучепреломляющий кристалл, имеют плоско-поляризованные электрические векторы, взаимно перпендикулярные друг другу.Кроме того, из-за различий в электронном взаимодействии, которое каждый компонент испытывает во время своего путешествия через кристалл, между двумя волнами обычно происходит фазовый сдвиг. Хотя обыкновенная и необыкновенная волны следуют по разным траекториям и широко разделены в кристалле кальцита, описанном ранее, это обычно не относится к кристаллическим материалам, оптическая ось которых перпендикулярна плоскости падающего света.

Особый класс материалов, известный как пластины компенсации или замедления , весьма полезен для получения света с эллиптической и круговой поляризацией для ряда приложений, включая поляризованную оптическую микроскопию.Эти двулучепреломляющие вещества выбраны потому, что, когда их оптическая ось расположена перпендикулярно падающему световому пучку, обычные и необыкновенные световые лучи следуют по идентичным траекториям и демонстрируют разность фаз, которая зависит от степени двулучепреломления. Поскольку пара ортогональных волн накладывается друг на друга, ее можно рассматривать как единую волну, имеющую взаимно перпендикулярные компоненты электрического вектора, разделенные небольшой разностью фаз. Когда векторы объединяются простым сложением в трехмерном пространстве, результирующая волна становится эллиптически поляризованной.

Эта концепция проиллюстрирована на рис. 8 , где результирующий электрический вектор не колеблется в одной плоскости, а постепенно вращается вокруг оси распространения световой волны, сметая эллиптическую траекторию, которая выглядит как спираль, когда волна рассматривается. под углом. Величина разности фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами (равной амплитуды) определяет, будет ли вектор двигаться по эллиптической или круговой траектории, когда волна рассматривается с конца с направления распространения.Если фазовый сдвиг составляет одну четверть или три четверти длины волны, то результирующим вектором будет начерчена круговая спираль. Однако фазовые сдвиги на половину или полную длину волны создают линейно поляризованный свет, а все другие фазовые сдвиги производят развертки, имеющие различную степень эллиптичности.

Когда обыкновенная и необыкновенная волны исходят из двулучепреломляющего кристалла, они колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях, имеющих общую интенсивность, которая является суммой их индивидуальных интенсивностей.Поскольку поляризованные волны имеют электрические векторы, которые колеблются в перпендикулярных плоскостях, волны не могут подвергаться интерференции. Этот факт влияет на способность двулучепреломляющих веществ создавать изображение. Интерференция может возникать только тогда, когда электрические векторы двух волн колеблются в одной плоскости во время пересечения, вызывая изменение амплитуды результирующей волны (требование для формирования изображения). Следовательно, прозрачные образцы, обладающие двойным лучепреломлением, останутся невидимыми, если они не будут исследованы между скрещенными поляризаторами, которые пропускают только те компоненты эллиптически и циркулярно поляризованных волн, которые параллельны оси поляризатора, ближайшего к наблюдателю.Эти компоненты способны создавать флуктуации амплитуды для создания контраста и выходить из поляризатора как линейно поляризованный свет.

Применение поляризованного света

Одним из наиболее распространенных и практических применений поляризации является жидкокристаллический дисплей (ЖКД), используемый во многих устройствах, включая наручные часы, компьютерные экраны, таймеры, часы и множество других. Эти системы отображения основаны на взаимодействии стержневидных жидкокристаллических молекул с электрическим полем и поляризованными световыми волнами.Жидкокристаллическая фаза существует в основном состоянии, которое называется , холестерический , в котором молекулы ориентированы слоями, и каждый последующий слой слегка скручен, образуя спиральный узор (, рис. 9, ). Когда поляризованные световые волны взаимодействуют с жидкокристаллической фазой, волна “закручивается” на угол примерно 90 градусов по отношению к падающей волне. Точная величина этого угла зависит от шага спирали холестерической жидкокристаллической фазы, который зависит от химического состава молекул (его можно точно настроить путем небольших изменений молекулярной структуры).

Отличный пример базового применения жидких кристаллов в устройствах отображения можно найти в семисегментном жидкокристаллическом цифровом дисплее (проиллюстрирован на рис. 9 ). Здесь жидкокристаллическая фаза зажата между двумя стеклянными пластинами, к которым прикреплены электроды, аналогичные тем, которые изображены на иллюстрации. В рис. 9 стеклянные пластины сконфигурированы с семью черными электродами, которые можно заряжать по отдельности (в реальных устройствах эти электроды прозрачны для света).Свет, проходящий через поляризатор 1, поляризован в вертикальном направлении, и, когда на электроды не подается ток, жидкокристаллическая фаза вызывает 90-градусное «закручивание» света, что позволяет ему проходить через поляризатор 2, который поляризован горизонтально и ориентирован перпендикулярно поляризатору 1. Затем этот свет может образовывать один из семи сегментов дисплея.

При подаче тока на электроды жидкокристаллическая фаза выравнивается с током и теряет структуру холестерической спирали.Свет, проходящий через заряженный электрод, не скручивается и блокируется поляризатором 2. За счет согласования напряжения на семи положительных и отрицательных электродах дисплей может отображать числа от 0 до 9. В этом примере верхний правый и нижний левый электроды заряжаются и блокируют проходящий через них свет, позволяя устройству отображения формировать число «2» (показано на рисунке наоборот).

Явление оптической активности в некоторых химических веществах происходит из их способности вращать плоскость поляризованного света.В эту категорию входят многие сахара, аминокислоты, органические натуральные продукты, определенные кристаллы и некоторые лекарства. Вращение измеряется путем помещения раствора целевого химического вещества между скрещенными поляризаторами в приборе, называемом полярископом. Впервые обнаруженный в 1811 году французским физиком Домиником Араго, оптическая активность играет важную роль во множестве биохимических процессов, в которых структурная геометрия молекул определяет их взаимодействие. Химические вещества, которые вращают плоскость колебаний поляризованного света по часовой стрелке, называются правовращающими , а те, которые вращают свет против часовой стрелки, именуются левовращающими .Два химических вещества, имеющих одинаковую молекулярную формулу, но разные оптические свойства, называются оптическими изомерами , которые вращают плоскость поляризованного света в разных направлениях.

Асимметричные кристаллы могут использоваться для получения поляризованного света при приложении электрического поля к поверхности. Обычное научное устройство, использующее эту концепцию, называется ячейкой Поккельса , которую можно использовать в сочетании с поляризованным светом для изменения направления поляризации на 90 градусов.Ячейки Поккельса могут очень быстро включаться и выключаться с помощью электрического тока и часто используются в качестве быстрых заслонок, которые позволяют свету проходить в течение очень коротких периодов времени (в пределах наносекунд). Представлено в Рис. 10 – схематическое изображение поляризованного света, проходящего через ячейку Поккельса (желтая волна). Зеленые и красные синусоидальные световые волны, исходящие из центральной области ячейки, представляют свет, поляризованный либо вертикально, либо горизонтально. Когда ячейка выключена, поляризованный свет не изменяется, когда он проходит (зеленая волна), но при активации или включении электрический вектор светового луча смещается на 90 градусов (красная волна).В ситуациях, когда доступны чрезвычайно большие электрические поля, молекулы некоторых жидкостей и газов могут вести себя как анизотропные кристаллы и выравниваться таким же образом. Ячейка Керра , предназначенная для размещения жидкостей и газов вместо кристаллов, также работает для изменения угла поляризованного света.

Другие области применения поляризованного света включают солнечные очки Polaroid, описанные выше, а также использование специальных поляризационных фильтров для линз фотоаппаратов.В различных научных инструментах используется поляризованный свет, излучаемый лазерами или поляризованный от источников накаливания и флуоресцентных источников с помощью множества методов. Поляризаторы иногда используются в комнатном и сценическом освещении, чтобы уменьшить блики и обеспечить более равномерную степень освещения, и их носят как очки, чтобы придать кажущееся ощущение глубины трехмерным фильмам. Перекрещенные поляризаторы даже используются в космических костюмах, чтобы резко снизить вероятность попадания солнечного света в глаза космонавта во время сна.

Поляризация света очень полезна во многих аспектах оптической микроскопии. Поляризованный световой микроскоп предназначен для наблюдения и фотографирования образцов, которые видны в первую очередь из-за их оптически анизотропных свойств. Анизотропные материалы обладают оптическими свойствами, которые меняются в зависимости от направления распространения проходящего через них света. Для выполнения этой задачи микроскоп должен быть оборудован поляризатором, размещенным на световом пути где-то перед образцом, и анализатором (вторым поляризатором), размещенным на оптическом пути между задней апертурой объектива и наблюдательными трубками. или порт камеры.

Контраст изображения возникает из-за взаимодействия плоско-поляризованного света с двулучепреломляющим (или двулучепреломляющим) образцом с образованием двух отдельных волновых компонентов, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Скорости этих компонентов различны и меняются в зависимости от направления распространения через образец. После выхода из образца световые компоненты находятся в противофазе и имеют эллиптическую геометрию, перпендикулярную направлению распространения, но рекомбинируют из-за конструктивной и деструктивной интерференции при прохождении через анализатор.Поляризованная световая микроскопия – это метод повышения контраста, который улучшает качество изображения, полученного с помощью двулучепреломляющих материалов, по сравнению с другими методами, такими как освещение темного и светлого поля, дифференциальный интерференционный контраст, фазовый контраст, контраст модуляции Хоффмана и флуоресценция. Кроме того, использование поляризованного света позволяет измерять оптические свойства минералов и подобных материалов и может помочь в классификации и идентификации неизвестных веществ.

Учебное пособие по физике: поляризация

Световая волна – это электромагнитная волна, которая распространяется через космический вакуум. Световые волны создаются вибрирующими электрическими зарядами. Природа таких электромагнитных волн выходит за рамки Учебника по физике. Для наших целей достаточно просто сказать, что электромагнитная волна – это поперечная волна, которая имеет как электрическую, так и магнитную составляющие.

Поперечная природа электромагнитной волны сильно отличается от любого другого типа волн, которые обсуждались в Учебнике по физике.Предположим, что мы используем привычный обтягивающий элемент для моделирования поведения электромагнитной волны. По мере того, как электромагнитная волна приближается к вам, вы можете наблюдать колебания обтягивающего материала, возникающие более чем в одной плоскости вибрации. Это совсем не то, что вы могли бы заметить, если бы вы посмотрели на обтягивающую волну и наблюдали, как к вам движется обтягивающая волна. В самом деле, спирали обтягивающего будут колебаться взад и вперед по мере приближения обтягивающего; тем не менее, эти колебания происходили бы в одной плоскости пространства.То есть катушки обтекателя могут колебаться вверх и вниз или влево и вправо. Тем не менее, независимо от направления их вибрации, они будут двигаться в том же линейном направлении, что и вы, наблюдая за обтяжкой. Если бы обтягивающая волна была электромагнитной волной, то колебания обтягивающей волны происходили бы в нескольких плоскостях. В отличие от обычной тонкой волны электрические и магнитные колебания электромагнитной волны происходят во многих плоскостях. Световая волна, которая колеблется более чем в одной плоскости, называется неполяризованным светом .Свет, излучаемый солнцем, лампой в классе или пламенем свечи, является неполяризованным светом. Такие световые волны создаются электрическими зарядами, которые колеблются в разных направлениях, создавая, таким образом, электромагнитную волну, которая колеблется в разных направлениях. Эту концепцию неполяризованного света довольно сложно представить. В общем, полезно представить неполяризованный свет как волну, которая имеет в среднем половину своих колебаний в горизонтальной плоскости и половину своих колебаний в вертикальной плоскости.

Неполяризованный свет можно преобразовать в поляризованный свет . Поляризованные световые волны – это световые волны, в которых колебания происходят в одной плоскости. Процесс преобразования неполяризованного света в поляризованный известен как поляризация . Есть множество методов поляризационного света. На этой странице обсуждаются четыре метода:

Наиболее распространенный метод поляризации включает использование поляроидного фильтра .Фильтры Polaroid изготовлены из специального материала, способного блокировать одну из двух плоскостей вибрации электромагнитной волны. (Помните, понятие двух плоскостей или направлений вибрации – это просто упрощение, которое помогает нам визуализировать волнообразную природу электромагнитной волны.) В этом смысле поляроид служит устройством, которое отфильтровывает половину вибраций на пропускание света через фильтр. Когда неполяризованный свет проходит через фильтр Polaroid, он выходит с половинной интенсивностью и с колебаниями в одной плоскости; он появляется как поляризованный свет.

Фильтр Polaroid способен поляризовать свет из-за химического состава фильтрующего материала. Фильтр можно представить как имеющий длинноцепочечные молекулы, которые выровнены внутри фильтра в одном направлении. Во время изготовления фильтра длинноцепочечные молекулы растягиваются поперек фильтра, так что каждая молекула (насколько это возможно) выровнена, скажем, в вертикальном направлении. Когда неполяризованный свет попадает на фильтр, часть волн, колеблющихся в вертикальном направлении, поглощается фильтром.Общее правило состоит в том, что электромагнитные колебания, идущие в направлении, параллельном расположению молекул, поглощаются.

Выравнивание этих молекул дает фильтру ось поляризации . Эта ось поляризации проходит по длине фильтра и позволяет проходить только колебаниям электромагнитной волны, параллельным оси. Любые колебания, перпендикулярные оси поляризации, блокируются фильтром.Таким образом, фильтр Polaroid с его длинноцепочечными молекулами, выровненными по горизонтали, будет иметь ось поляризации, выровненную по вертикали. Такой фильтр блокирует все горизонтальные колебания и позволяет передавать вертикальные колебания (см. Диаграмму выше). С другой стороны, фильтр Polaroid с его длинноцепочечными молекулами, выровненными по вертикали, будет иметь ось поляризации, выровненную по горизонтали; этот фильтр блокирует все вертикальные колебания и позволяет передавать горизонтальные колебания.

Поляризация света с помощью фильтра Polaroid часто демонстрируется на уроках физики с помощью различных демонстраций.Фильтры используются для просмотра и просмотра объектов. Фильтр не искажает форму и размеры объекта; он просто служит для создания более тусклого изображения объекта, поскольку половина света блокируется при прохождении через фильтр. Пара фильтров часто ставится вплотную друг к другу, чтобы просматривать объекты через два фильтра. Медленно вращая второй фильтр, можно найти ориентацию, при которой весь свет от объекта блокируется, и объект больше не виден при просмотре через два фильтра.Что случилось? В этой демонстрации свет был поляризован при прохождении через первый фильтр; возможно, могли пройти только вертикальные колебания. Затем эти вертикальные колебания блокировались вторым фильтром, поскольку его поляризационный фильтр ориентирован в горизонтальном направлении. Хотя вы не можете видеть оси на фильтре, вы будете знать, когда оси выровнены перпендикулярно друг другу, потому что при такой ориентации весь свет блокируется. Таким образом, используя два фильтра, можно полностью заблокировать весь свет, падающий на устройство; это произойдет только в том случае, если оси поляризации повернуты так, что они перпендикулярны друг другу.

Для объяснения того, как работает эта демонстрация с двумя фильтрами, часто используется аналогия с частоколом. Штакетник может действовать как поляризатор, преобразовывая неполяризованную волну в веревке в волну, которая колеблется в одной плоскости. Пространства между планками ограждения позволят проходить вибрациям, параллельным промежуткам, и блокировать любые вибрации, перпендикулярные промежуткам. Очевидно, что вертикальной вибрации не хватит места, чтобы пройти через горизонтальный интервал.Если два штакетника ориентированы так, что оба штакетника выровнены по вертикали, то вертикальные колебания будут проходить через оба ограждения. С другой стороны, если пикеты второго ограждения выровнены по горизонтали, то вертикальные колебания, проходящие через первое ограждение, будут блокироваться вторым ограждением. Это показано на диаграмме ниже.

Таким же образом два фильтра Polaroid, ориентированные с их осями поляризации перпендикулярно друг другу, будут блокировать весь свет.Это довольно интересное наблюдение, которое невозможно объяснить с помощью частиц света.

Неполяризованный свет может также подвергаться поляризации за счет отражения от неметаллических поверхностей. Степень поляризации зависит от угла, под которым свет приближается к поверхности, и от материала, из которого она сделана. Металлические поверхности отражают свет с различными направлениями колебаний; такой отраженный свет неполяризован.Однако неметаллические поверхности, такие как асфальтовые дороги, снежные поля и вода, отражают свет так, что существует большая концентрация вибраций в плоскости, параллельной отражающей поверхности. Человек, наблюдающий за объектами посредством света, отраженного от неметаллических поверхностей, часто будет воспринимать блики, если степень поляризации велика. Рыбаки знакомы с этим ярким светом, поскольку он не позволяет им увидеть рыбу, лежащую под водой. Свет, отраженный от озера, частично поляризован в направлении, параллельном поверхности воды.Рыбаки знают, что использование солнцезащитных очков, уменьшающих блики, с правильной осью поляризации позволяет блокировать этот частично поляризованный свет. Блокируя плоско-поляризованный свет, блики уменьшаются, и рыбак может легче видеть рыбу, находящуюся под водой.

Поляризация также может происходить из-за преломления света. Преломление происходит, когда луч света переходит от одного материала к другому.На поверхности двух материалов путь луча меняет свое направление. Преломленный луч приобретает некоторую степень поляризации. Чаще всего поляризация происходит в плоскости, перпендикулярной поверхности. Поляризация преломленного света часто демонстрируется на уроках физики с использованием уникального кристалла, который служит кристаллом с двойным преломлением. Исландский шпат, довольно редкая форма минерального кальцита, преломляет падающий свет двумя разными путями. Свет разделяется на два луча при входе в кристалл.Впоследствии, если объект рассматривается через кристалл исландского шпата, будут видны два изображения. Два изображения являются результатом двойного лучепреломления света. Оба преломленных световых луча поляризованы – один в направлении, параллельном поверхности, а другой – в направлении, перпендикулярном поверхности. Поскольку эти два преломленных луча поляризованы с перпендикулярной ориентацией, можно использовать поляризационный фильтр, чтобы полностью заблокировать одно из изображений. Если ось поляризации фильтра направлена ​​перпендикулярно плоскости поляризованного света, свет полностью блокируется фильтром; Между тем, второе изображение максимально яркое.И если затем фильтр повернуть на 90 градусов в любом направлении, второе изображение появится снова, а первое изображение исчезнет. Это довольно изящное наблюдение, которое невозможно было бы наблюдать, если бы свет не демонстрировал волнообразное поведение.

Поляризация также возникает, когда свет рассеивается при прохождении через среду. Когда свет падает на атомы материала, он часто заставляет электроны этих атомов вибрировать. Затем колеблющиеся электроны создают собственную электромагнитную волну, которая излучается во всех направлениях.Эта вновь сгенерированная волна ударяет соседние атомы, заставляя их электроны колебаться с той же исходной частотой. Эти колеблющиеся электроны производят другую электромагнитную волну, которая снова распространяется во всех направлениях. Это поглощение и переизлучение световых волн заставляет свет рассеиваться в среде. (Этот процесс рассеяния способствует тому, что наше небо становится голубым, эта тема будет обсуждаться позже.) Этот рассеянный свет частично поляризован. Поляризация за счет рассеяния наблюдается, когда свет проходит через нашу атмосферу.Рассеянный свет часто вызывает блики в небе. Фотографы знают, что эта частичная поляризация рассеянного света приводит к фотографиям, характеризующим размытым небом . Проблему легко исправить, применив фильтр Polaroid. При вращении фильтра частично поляризованный свет блокируется, а блики уменьшаются. Фотографический секрет запечатления яркого голубого неба на фоне красивого переднего плана заключается в физике поляризации и фильтрах Polaroid.

Polarization есть множество других применений, помимо использования в солнцезащитных очках, уменьшающих блики. В промышленности фильтры Polaroid используются для проведения стресс-анализа прозрачных пластиков. Когда свет проходит через пластик, каждый цвет видимого света поляризуется со своей ориентацией. Если поместить такой пластик между двумя поляризационными пластинами, раскроется красочный узор. Когда верхняя пластина поворачивается, цветовой узор изменяется, так как новые цвета блокируются и передаются ранее заблокированные цвета.Обычная демонстрация физики включает в себя размещение пластикового транспортира между двумя пластинами Polaroid и размещение их поверх диапроектора. Известно, что структурное напряжение в пластике проявляется в местах с большой концентрацией цветных полос. Это место напряжения обычно является местом, где наиболее вероятно возникновение разрушения конструкции. Возможно, вы хотите, чтобы пластиковый корпус компакт-диска, который вы недавно приобрели, был подвергнут более тщательному анализу напряжений.

Поляризация также используется в индустрии развлечений для производства и демонстрации трехмерных фильмов.Трехмерные фильмы – это на самом деле два фильма, которые одновременно демонстрируются через два проектора. Эти два фильма сняты двумя немного разными камерами. Затем каждый отдельный фильм проецируется с разных сторон на металлический экран. Фильмы проецируются через поляризационный фильтр. Поляризационный фильтр, используемый для проектора слева, может иметь ось поляризации, выровненную по горизонтали, в то время как поляризационный фильтр, используемый для проектора справа, может иметь ось поляризации, выровненную по вертикали.Следовательно, на экран проецируются два немного разных фильма. Каждый фильм освещен светом, поляризованным с ориентацией, перпендикулярной другому фильму. Затем зрители надевают очки с двумя фильтрами Polaroid. У каждого фильтра своя ось поляризации – одна горизонтальная, а другая вертикальная. Результатом такого расположения проекторов и фильтров является то, что левый глаз видит фильм, который проецируется правым проектором, а правый глаз видит фильм, который проецируется левым проектором.Это дает зрителю ощущение глубины.

Наша модель поляризации света существенно подтверждает волнообразную природу света. Было бы чрезвычайно трудно объяснить явление поляризации, используя представление о свете с помощью частиц. Поляризация может происходить только с поперечной волной. По этой причине поляризация – еще одна причина, по которой ученые считают, что свет проявляет волнообразное поведение.

В демонстрации поляроидный фильтр помещен на стеклянную панель оверхед-проектора в классном стиле.Свет, проходящий через фильтр, становится поляризованным. Различные секторы заклеенного стекла будут вращать оси поляризации разных длин волн света на разную величину. Затем поверх заклеенного стекла помещают второй фильтр. Этот второй фильтр обеспечивает прохождение длин волн (т. Е. Цветов) света, ось поляризации которого совпадает с осью передачи фильтра; другие длины волн заблокированы. Таким образом, при просмотре через оба фильтра разные секторы выглядят разными цветами.

1.Предположим, что свет проходит через два фильтра Polaroid, оси поляризации которых параллельны друг другу. Что будет в результате?

2. Свет становится частично поляризованным, поскольку он отражается от неметаллических поверхностей, таких как стекло, вода или поверхность дороги. Поляризованный свет состоит из волн, колеблющихся в плоскости, которая ____________ (параллельна, перпендикулярна) отражающей поверхности.

3. Рассмотрим три пары солнцезащитных очков ниже. Определить, способна ли пара очков устранять блики, возникающие в результате отражения солнечного света от спокойных вод озера? _________ Объяснять. (Оси поляризации показаны прямыми линиями.)

Поляризация света | Olympus LS

Естественный солнечный свет и почти все другие формы искусственного освещения пропускают световые волны, векторы электрического поля которых колеблются во всех перпендикулярных плоскостях относительно направления распространения.Когда векторы электрического поля ограничиваются одной плоскостью посредством фильтрации, тогда говорят, что свет имеет поляризацию относительно направления распространения, и все волны колеблются в одной плоскости.

Эта концепция проиллюстрирована на рисунке 1 ниже, и мы также создали интерактивный учебник Java , в котором исследуется взаимодействие световых волн с поляризаторами. В этом примере векторы электрического поля падающего света колеблются перпендикулярно направлению распространения в равном распределении всех плоскостей, прежде чем столкнуться с первым поляризатором.Изображенные выше поляризаторы на самом деле представляют собой фильтры, содержащие молекулы длинноцепочечного полимера, ориентированные в одном направлении. Поглощается только падающий свет, который колеблется в той же плоскости, что и ориентированные молекулы полимера, в то время как свет, колеблющийся под прямым углом к ​​плоскости, проходит через первый поляризационный фильтр. На рисунке 1 поляризатор 1 ориентирован вертикально по отношению к падающему лучу, поэтому он будет пропускать только волны, которые вертикальны в падающем луче. Волна, проходящая через поляризатор 1, впоследствии блокируется поляризатором 2, поскольку второй поляризатор ориентирован горизонтально по отношению к вектору электрического поля в световой волне.Концепция использования двух поляризаторов, ориентированных под прямым углом друг к другу, обычно называется скрещенной поляризацией и является фундаментальной для практики микроскопии в поляризованном свете.

Неполяризованный падающий свет (например, естественный солнечный свет) поляризуется до определенной степени, когда он отражается от изолирующей поверхности, такой как вода или шоссе. В этом случае световые волны, у которых векторы электрического поля параллельны поверхности, отражаются в большей степени, чем волны с другой ориентацией.Оптические свойства изолирующей поверхности определяют точное количество поляризованного отраженного света. Зеркала не являются хорошими поляризаторами, хотя многие прозрачные материалы будут очень хорошими поляризаторами, но только если угол падающего света находится в определенных пределах. В этом случае конкретный угол, вызывающий максимальную поляризацию, известен как угол Брюстера , задаваемый выражением:

n = sinθ (i) / sinθ (r) = sinθ (i) / sinθ (90-i ) = tanθ (i)

, где n – показатель преломления среды, θ ( i ) – угол падения, а θ ( r ) – угол преломления.

Этот тип поляризованного света часто называют бликами , и его можно легко продемонстрировать, наблюдая за удаленной частью шоссе в солнечный день. Отражение и поляризацию света в соответствии с теорией Брюстера можно более подробно изучить с помощью нашего учебного пособия по углу Брюстера для Java . Свет, отраженный плоской поверхностью шоссе, частично поляризован векторами электрического поля, колеблющимися в направлении, параллельном земле.Этот свет может быть заблокирован поляризационными фильтрами, ориентированными в вертикальном направлении, как показано ниже на Рисунке 2, с парой поляризованных солнцезащитных очков.

Линзы солнцезащитных очков имеют поляризационные фильтры, ориентированные вертикально по отношению к оправе. На Рисунке 2 выше голубые световые волны имеют векторы электрического поля, ориентированные в том же направлении, что и поляризационные линзы, и, таким образом, проходят сквозь них. Напротив, волна красного света перпендикулярна фильтрам и блокируется линзами.Поляризационные солнцезащитные очки очень полезны при езде на солнце или на пляже, где солнечный свет отражается от поверхности дороги или воды, что приводит к ослепляющим бликам.

Одним из наиболее распространенных способов использования поляризации сегодня является жидкокристаллический дисплей (ЖКД), используемый во многих приложениях, включая наручные часы, экраны компьютеров, таймеры, часы и многие другие. Эти устройства основаны на взаимодействии стержневидных жидкокристаллических молекул с электрическим полем и поляризованными световыми волнами.Жидкокристаллическая фаза существует в основном состоянии, которое называется холестерическим , где молекулы ориентированы слоями, где каждый последующий слой слегка закручен, образуя спиральный узор. Когда поляризованные световые волны взаимодействуют с жидкокристаллической фазой, волна “закручивается” на угол примерно 90 градусов по отношению к падающей волне. Этот угол является функцией шага спирали холестерической жидкокристаллической фазы, который зависит от химического состава молекул (его можно точно настроить путем небольших изменений молекул).

Прекрасный пример базового применения жидких кристаллов в устройствах отображения можно найти на семисегментном цифровом ЖК-дисплее (рис. 3). Здесь жидкокристаллическая фаза зажата между двумя стеклянными пластинами, к которым прикреплены электроды, аналогичные тем, которые изображены на иллюстрации ниже. На рисунке 3 стеклянные пластины нарисованы с семью черными электродами, которые можно заряжать по отдельности (в реальных устройствах эти электроды прозрачны для света). Свет, проходящий через поляризатор 1, поляризован в вертикальном направлении, и, когда на электроды не подается ток, жидкокристаллическая фаза вызывает 90-градусное “закручивание” света, и он может проходить через поляризатор 2, который поляризован горизонтально и перпендикулярно поляризатору 1.Затем этот свет может образовывать один из семи сегментов дисплея.

При подаче тока на электроды жидкокристаллическая фаза выравнивается с током и теряет холестерический спиральный узор. Свет, проходящий через заряженный электрод, не скручивается и блокируется поляризатором 2. За счет согласования напряжения на семи положительных и отрицательных электродах дисплей может отображать числа от 0 до 9. В этом примере верхний правый и нижний левый электроды заряжаются и блокируют проходящий через них свет, позволяя образовать цифру «2».

Поляризация света очень полезна во многих аспектах оптической микроскопии. Конфигурация микроскопа использует скрещенные поляризаторы, где первый поляризатор (называемый поляризатором) размещается ниже образца на пути света, а второй поляризатор (называемый анализатором) размещается над образцом, между объективом и окулярами. При отсутствии образца на предметном столике микроскопа свет, поляризованный поляризатором, блокируется анализатором, и свет не виден. Когда образцы с двойным лучепреломлением просматриваются на предметном столике между скрещенными поляризаторами, микроскопист может визуализировать аспекты образцов с помощью света, вращаемого образцом и затем проходящего через анализатор.Подробности микроскопии в поляризованном свете подробно обсуждаются в разделе «Микроскопия» этого учебника.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц – Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Майкл У. Дэвидсон – Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 Ист. ., Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.

Поляризованный свет – обзор

III.B Приборы и принадлежности

Микроскоп поляризованного света – это узкоспециализированный инструмент, совершенно не похожий на медицинский или биологический микроскоп. Их единственное сходство заключается в том, что они представляют пользователю увеличенное изображение образца.

Основным элементом любого микроскопа является штатив. Подставка PLM должна быть достаточно прочной и способной принимать различные вспомогательные компоненты. Большинство современных микроскопов имеют осветители, встроенные в основание, и они должны обеспечивать хорошее освещение по Келеру (см. Последний абзац в этом разделе).

Сразу после осветителя и обычно включается в систему конденсатора поляризатор. Это позволяет свету только одного направления колебаний проходить через образец. Поляризатор должен быть ориентирован так, чтобы плоскость колебаний проходящего света лежала в направлении восток / запад.

Далее по оптическому пути между объективом и окуляром находится второй поляризатор, известный как анализатор. Когда анализатор вставляется на световой путь и вращается так, чтобы направление его колебаний было перпендикулярно поляризатору, весь свет, передаваемый поляризатором, поглощается.Анализатор свободно вращается и градуируется шкалой, измеряемой в градусах вращения. Анализатор должен легко сниматься с светового тракта с помощью выдвижного механизма. В трубку анализатора обычно встроены прорези для вставки различных типов компенсаторов. Линза Бертрана позволяет визуализировать интерференционные фигуры и проверять освещенность. Один окуляр должен быть оснащен перекрестной сеткой, а другой – микрометрической шкалой, и оба должны иметь возможность фокусировки, а межзрачковое расстояние должно легко изменяться, если микроскоп оснащен бинокулярной головкой.

Столик PLM обычно круглый, свободно вращается и центрируется относительно оси инструмента. Одна британская конструкция имеет одновременно вращающиеся поляризаторы (поляризаторы) и фиксированный столик. Любая компоновка позволяет наблюдать образец во всех ориентациях относительно плоскостей колебаний поляризатора и анализатора. Зажимы для столика или присоединяемый механический столик могут быть желательны для определенных применений; однако для химической работы они могут помешать простой и быстрой замене образцов или манипуляциям.

Обычно поставляется вращающийся револьвер, на который можно установить четыре или более объективов. Объективы должны быть поляризованными (т. Е. Без деформации) и должны центрироваться в револьвере или индивидуально центрироваться в отдельных креплениях, а также парфокальных. Использование объективов, не предназначенных для поляризованного света, может придать образцу нежелательные поляризационные цвета из-за деформации, возникающей в стеклянной линзе во время производства.

Конденсатор также не должен иметь деформаций, а числовая апертура (NA) должна находиться рядом с NA с наивысшим объективом, который будет использоваться.Конденсор должен центрироваться в своем креплении, чтобы помочь добиться идеальной соосности оптической системы. Часто для образца может потребоваться другой тип освещения, например, фазовый контраст или темное поле. Следует предусмотреть простой переход на другие конденсаторы, которые должны использоваться для этих типов методов проходящего освещения.

Различные компенсаторы, такие как кварцевый клин, пластина «красного цвета первого порядка» или четвертьволновая пластина, могут быть введены в бодибилдинг.Компенсаторы помогают в определении степени замедления или двойного лучепреломления и в определении ориентации высокого показателя преломления.

Желательным дополнением был бы осветитель падающего света для наблюдения за непрозрачными веществами или явлениями отраженного света. Кроме того, приложение для микрофотографии полезно для записи различных эффектов, связанных с освещением, для сравнения похожих образцов с использованием микрофотографий или для записи в записную книжку или отчет.

Динамические исследования, такие как рост кристаллов, микрохимические реакции или изменения, вызванные тепловыми эффектами, лучше всего записывать с помощью видеокамеры и записывающего устройства. Их можно легко адаптировать к любому микроскопу, способному принимать системы микрофотографии.

Важнейшее значение при использовании светового микроскопа любого светового микроскопа – это возможность правильно настроить систему освещения. «Правильно» означает освещение Келера, при котором представленные изображения имеют хорошую резкость, контраст и равномерно освещаются по всему полю для всех объективов.Большинство пользователей микроскопов (в отличие от микроскопистов) просто включают лампу и продолжают свои обычные дела. Однако, если бы несколько минут были потрачены на настройку освещения Келера, оптимальное разрешение и контраст были бы обеспечены при всех увеличениях и для всех образцов. Подробные шаги для этих операций описаны в любой из упомянутых публикаций McCrone.

Поляризованный свет – обзор

Микроскопия в поляризованном свете

Микроскопия в поляризованном свете обеспечивает все преимущества микроскопии в светлом поле.Кроме того, используя эту технику, микроскопист может различать изотропные и анизотропные материалы. Определения изотропии и анизотропии следующие:

Изотропные материалы – в кристаллических материалах наличие одного RI вдоль всех направлений решетки (равное расстояние между атомами вдоль всех направлений решетки) и в некристаллических или аморфных материалах. материалы отсутствуют дальний заказ.

Анизотропные материалы – они демонстрируют разные RI в зависимости от конкретного направления решетки (неодинаковое расстояние между атомами в зависимости от конкретного направления решетки).

Анизотропные материалы действуют как светоделители, разделяя световые лучи с плоской поляризацией на две части, которые колеблются в двух отдельных плоскостях, перпендикулярных друг другу. Эти два луча известны как обыкновенный и необыкновенный лучи. Это состояние известно как двойное лучепреломление. При микроскопии в поляризованном свете изображения создаются за счет интерференции разделенных световых лучей, когда они собираются заново по одному и тому же оптическому пути. Разделенные лучи проходят через образец с разной скоростью, и один луч задерживается по отношению к другому.Это оптическое состояние известно как замедление.

Следующее уравнение можно использовать для определения нескольких оптических свойств, уникальных для данного материала:

[1,6] r = tn2 − n1

, где r = замедление, t = толщина образца, ( n 2 – n 1) = двойное лучепреломление, а n 1 и n 2 = RI материала.

Поляризованный световой микроскоп можно использовать для измерения двойного лучепреломления, присутствующего в подходящих тонких образцах материалов, пропускающих свет.Двулучепреломление можно измерить качественно (визуальные наблюдения) или количественно (определение точных значений). Наличие двойного лучепреломления в большинстве случаев может быть использовано для вывода о том, что образец является анизотропным и может иметь кристаллическую природу. Определение наличия анизотропии в материале, особенно в полимерном биоматериале, может помочь объяснить другие данные физических испытаний, полученные с использованием других методов определения характеристик (кривые напряжения-деформации, полученные с помощью прибора для испытания на растяжение), и может быть использовано при формулировании моделей структур-свойств для объяснить поведение материала.Другие структурные свойства полимера, которые можно изучить с помощью микроскопии в поляризованном свете:

Молекулярная ориентация – это двойное лучепреломление, которое появляется из-за выравнивания полимерных цепей во время обработки (экструзии и т. Д.).

Двойное лучепреломление формы – это происходит из-за присутствия высокоориентированной фазы, такой как высокоориентированные неорганические наполнители в формованных пластмассовых деталях.

Двулучепреломление при деформации – это связано с наличием внутренних напряжений внутри материала.

Микроскоп поляризованного света исследовательского класса имеет две поляры на пути освещения. Первый поляризатор или поляризатор располагается под образцом, как можно ближе к источнику света, а второй полярный или анализатор – над образцом. Поляризатор преобразует свет, исходящий от источника освещения, в плоскополяризованный свет. Если мы повернем две поляры до тех пор, пока их направления колебаний не станут перпендикулярными (состояние, известное как скрещенные поляры), наблюдаемое поле станет черным, и это называется позицией угасания.

Если смесь твердых частиц помещается на предметный столик микроскопа и наблюдается между скрещенными полярами, некоторые частицы выглядят окрашенными, некоторые – белыми, а некоторые – невидимыми на черном фоне. «Исчезающие» частицы изотропны и должны находиться в стеклообразном или аморфном состоянии или в кубической кристаллической системе. Другие частицы, которые кажутся белыми или окрашенными, являются анизотропными (возможно, в кристаллическом состоянии) и должны иметь по крайней мере два основных RI.Быстрый тест на наличие анизотропии – это наблюдение материала между скрещенными полярами. Оптический путь в современном поляризованном световом микроскопе показан на рис. 1.6. Далее следует более подробное объяснение того, что мы наблюдаем между скрещенными полярами в микроскопе в поляризованном свете.

1.6. Световой путь в поляризованном световом микроскопе.

Как описано ранее в этом разделе, когда плоско поляризованный свет попадает в оптически анизотропный материал, свет разделяется на две составляющие, колеблющиеся в перпендикулярных плоскостях.Разделение плоско-поляризованного света на две компоненты вектора называется двойным лучепреломлением. Эти два компонента следуют двум основным направлениям вибрации в материале, имеющем разные RI. Это заставляет их двигаться через материал с разной скоростью, и они выходят наружу, причем один компонент отстает от другого на определенную величину, которая зависит от разницы в двух RI ( n 2 – n 1) и толщины ( т ). Фактическое расстояние одного компонента за другим называется запаздыванием.

Если материал ориентирован так, что одна из его основных RI параллельна направлению колебаний поляризатора, вторая составляющая вектора становится равной нулю. Весь свет, выходящий из материала, имеет то же направление колебаний, что и поляризатор, и поглощается анализатором (направление колебаний перпендикулярно поляризатору). Материал и все наблюдаемое поле выглядят темными. Известно, что этот материал вымирает. Если материал ориентирован так, что один из его основных RI не параллелен направлению колебаний поляризатора, возникающие компоненты вектора будут рекомбинировать в плоскости колебаний анализатора.Поскольку один из компонентов запаздывает, интерференция при рекомбинации двух компонентов анализатором приведет к тому, что изображение будет выглядеть окрашенным. Цветной вид вызван оптической интерференцией, которая разрушает одни длины волн и усиливает другие. Усиленные длины волн составляют интерференционные цвета материала. Вещества, которые демонстрируют эти интерференционные цвета, называются двулучепреломляющими, анизотропными или двулучепреломляющими.

Фактические наблюдаемые интерференционные цвета зависят от замедления ( r ), толщины материала и двойного лучепреломления.Если толщина материала меняется, можно наблюдать несколько цветов. Цвета становятся самыми яркими, когда материал поворачивается дальше всего от точки затухания, обычно на 45 ° от этой точки. Полученные интерференционные цвета определяются следующим уравнением:

[1,7] r = 1000 × tn2-n1

, где n 1 и n 2 = RI материала; ( n 2 – n 1) = двулучепреломление; т = толщина, 1000 = коэффициент пересчета.

Если клин регулярно увеличивающейся толщины из любого анизотропного материала (т.е.е. кварц) повернут на 45 °, при наблюдении между скрещенными полярами видна определенная последовательность интерференционных цветов или ряд Ньютона. Эта серия разделена на «порядки» красными полосами, которые появляются периодически по мере увеличения толщины материала. Цвета первого порядка – черный, серый, белый, желтый, оранжевый и красный по мере увеличения толщины. Более высокие порядки включают синий и зеленый вместо серого и белого. Цвета также становятся бледнее, пока они не приближаются к белому «высшего порядка» примерно на десятом уровне.Цветовой ряд, наблюдаемый в кварцевом клине, становится инструментом для измерения анизотропных оптических свойств материалов. Графическое представление этого «инструмента измерения» известно как диаграмма Мишеля Леви. На диаграмме показана взаимосвязь между толщиной, двулучепреломлением и цветом интерференции.

Используя уравнение r = 1000 × t ( n 2 – n 1) (уравнение [1.7]), опытный аналитик может использовать диаграмму для оценки двулучепреломления по наблюдаемому цвету интерференции и, наоборот, определить замедление для образца путем включения разницы между двумя измеренными RI ( n 2, n 1) и измеренной толщиной.Диаграмма Мишеля Леви может использоваться для идентификации неизвестного вещества. Его также можно использовать для подтверждения идентичности нескольких веществ, присутствующих в смешанном препарате частиц одинакового размера.

Как мы видели, современный микроскоп в поляризованном свете – это мощный метод определения химических и оптических свойств многих классов биоматериалов. Точное определение этих свойств позволяет исследователю биоматериалов делать прогнозы конечных рабочих параметров биоматериалов, таких как клеточная адгезия, биоразлагаемость и биосовместимость, когда материалы имплантируются в организм.

Мозаика в поляризованном свете: цвет, поляризация, свет и волны Научное мероприятие

Цвета, которые вы видите здесь, являются результатом разницы в скорости поляризованного света, проходящего через прозрачную ленту.

В прозрачной ленте длинные молекулы полимера вытянуты параллельно длине ленты. Свет, поляризованный параллельно участку молекул, проходит через ленту медленнее, чем свет, поляризованный перпендикулярно участку.

Каждый материал имеет показатель преломления, который представляет собой отношение скорости света в вакууме к скорости света в материале.Свет проходит через ленту, которую вы использовали в этой демонстрации, с двумя разными скоростями. (Материалы с этим свойством называются двулучепреломляющим , что происходит от греческих слов, означающих «двулучепреломление».)

Когда поляризованный свет попадает на ленту, его направление поляризации, вероятно, не совпадает с длиной ленты. Если свет поляризован в направлении, которое не совпадает, его направление поляризации будет разделено на две перпендикулярные составляющие.Один из этих компонентов будет параллелен длине ленты, а другой – перпендикулярно.

Волны, составляющие эти две составляющие, изначально идут в ногу друг с другом. Но поскольку они движутся по ленте с разной скоростью, они расходятся, то есть гребень одной волны больше не совпадает с гребнем другой. Когда эти несинхронные световые волны выходят из ленты на другой стороне, они рекомбинируют, создавая свет с поляризацией, отличной от поляризации исходного света.

Чем толще лента, тем больше будут отклоняться компоненты и тем сильнее будет изменение поляризации. Если, например, две волны рекомбинируют после того, как одна была задержана на половину длины волны, направление поляризации света будет повернуто на 90 градусов.

Белый свет состоит из света всех цветов или длин волн. Поскольку показатель преломления ленты разный для каждого цвета света, каждый цвет имеет свою уникальную пару скоростей при прохождении через ленту.В результате поляризация каждого цвета изменяется на разную величину для данной толщины ленты.

Когда второй кусок поляризатора помещается на ленту и вращается, он передает разные цвета под разными углами. Это учитывает сочетания цветов, которые вы видите под заданным углом, и изменения цвета при повороте поляризатора (щелкните, чтобы увеличить диаграмму ниже).