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

Содержание

В МИРЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА | Наука и жизнь

Две совершенно одинаковые пластинки из слегка затемнённого стекла или гибкого пластика, сложенные вместе, практически прозрачны. Но стоит повернуть какую-нибудь одну на 90о, как перед глазом окажется сплошная чернота. Это может показаться чудом: ведь каждая пластинка прозрачна при любом повороте. однако внимательный взгляд обнаружит, что при определённых углах её поворота блики от воды, стекла и полированных поверхностей исчезают. Это же можно наблюдать, рассматривая экран компьютерного ЖК-монитора через пластинку: при её повороте яркость экрана меняется и при определённых положениях гаснет совсем. «Виновник» всех этих (и многих других) любопытных явлений — поляризованный свет. Поляризация — это свойство, которым могут обладать электромагнитные волны, в том числе видимый свет. Поляризация света имеет множество интересных применений и заслуживает того, чтобы о ней поговорить подробнее.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Механическая модель линейной поляризации световой волны.

Щель в заборе пропускает колебания верёвки только в вертикальной плоскости.

В анизотропном кристалле световой луч расщепляется на два, поляризованные во взаимно-перпендикулярных (ортогональных) направлениях.

Обыкновенный и необыкновенный лучи пространственно совмещены, амплитуды световых волн одинаковы. При их сложении возникает поляризованная волна.

Так свет проходит через систему из двух поляроидов: а — когда они параллельны; б — скрещены; в — расположены под произвольным углом.

Две равные силы, приложенные в точке А во взаимно-перпендикулярных направлениях, заставляют маятник двигаться по круговой, прямолинейной или эллиптической траектории (прямая — это «вырожденный» эллипс, а окружность — его частный случай).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Физпрактикум. Рис. 1.

Физпрактикум. Рис. 2.

Физпрактикум. Рис. 3.

Физпрактикум. Рис. 4.

Физпрактикум. Рис. 5.

Физпрактикум. Рис. 6.

Физпрактикум. Рис. 7.

Физпрактикум. Рис. 8.

Физпрактикум. Рис. 9.

В природе существует множество колебательных процессов. Один из них — гармонические колебания напряжённостей электрического и магнитного полей, образующие переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Волны эти поперечные — векторы е и н напряжённостей электрического и магнитного полей взаимно-перпендикулярны и колеблются поперек направления распространения волны.

Электромагнитные волны условно разделяют на диапазоны по длинам волн, образующих спектр. Наибольшую его часть занимают радиоволны с длиной волны от 0,1 мм до сотен километров. Небольшой, но очень важный участок спектра — оптический диапазон. Он делится на три области — видимую часть спектра, занимающую интервал приблизительно от 0,4 мкм (фиолетовый свет) до 0,7 мкм (красный свет), ультрафиолетовую (УФ) и инфракрасную (ИК), невидимые глазом.

Поэтому поляризационные явления доступны непосредственному наблюдению только в видимой области.

Если колебания вектора напряжённости электрического поля е световой волны поворачиваются в пространстве случайным образом, волна называется неполяризованной, а свет — естественным. Если эти колебания происходят только в одном направлении, волна линейно-поляризована. Неполяризованную волну в линейно-поляризованную превращают при помощи поляризаторов — устройств, пропускающих колебания только одного направления.

Попробуем изобразить этот процесс более наглядно. Представим себе обычный деревянный забор, в одной из досок которого прорезана узкая вертикальная щель. Проденем сквозь эту щель верёвку; её конец за забором закрепим и начнём верёвку встряхивать, заставляя её колебаться под разными углами к вертикали. Вопрос: а как будет колебаться верёвка за щелью?

Ответ очевиден: за щелью верёвка станет колебаться только в вертикальном направлении. Амплитуда этих колебаний зависит от направления приходящих к щели смещений. Вертикальные колебания пройдут сквозь щель полностью и дадут максимальную амплитуду, горизонтальные — щель не пропустит совсем. А все другие, «наклонные», можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие, и амплитуда будет зависеть от величины вертикальной составляющей. Но в любом случае за щелью останутся только вертикальные колебания! То есть щель в заборе — это модель поляризатора, преобразующего неполяризованные колебания (волны) в линейно-поляризованные.

Вернёмся к свету. Получить из естественного, неполяризованного света линейно-поляризованный можно несколькими способами. Наиболее часто применяют полимерные плёнки с длинными молекулами, ориентированными в одном направлении (вспомним про забор с щелью!), призмы и пластинки, обладающие двойным лучепреломлением, или оптической анизотропией (неодинаковости физических свойств по различным направлениям).

Оптическая анизотропия наблюдается у многих кристаллов — турмалина, исландского шпата, кварца. Само явление двойного лучепреломления заключается в том, что луч света, падающий на кристалл, разделяется в нём на два. При этом показатель преломления кристалла для одного из этих лучей постоянен при любом угле падения входного луча, а для другого зависит от угла падения (то есть для него кристалл анизотропен). Это обстоятельство настолько поразило первооткрывателей, что первый луч назвали обыкновенным, а второй — необыкновенным. И весьма существенно, что эти лучи линейно-поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Заметим, что в таких кристаллах существует одно направление, по которому двойного преломления не происходит. Это направление называется оптической осью кристалла, а сам кристалл — одноосным. Оптическая ось — это именно направление, все идущие вдоль него линии обладают свойством оптической оси. Известны также двухосные кристаллы — слюда, гипс и другие. В них также происходит двойное преломление, но оба луча оказываются необыкновенными. В двухосных кристаллах наблюдаются более сложные явления, которых мы касаться не станем.

В некоторых одноосных кристаллах обнаружилось ещё одно любопытное явление: обыкновенный и необыкновенный лучи испытывают существенно различное поглощение (это явление назвали дихроизмом).

Так, в турмалине обыкновенный луч поглощается практически полностью уже на пути около миллиметра, а необыкновенный проходит весь кристалл насквозь почти без потерь.

Двоякопреломляющие кристаллы применяют для получения линейно-поляризованного света двумя способами. В первом используют кристаллы, не обладающие дихроизмом; из них изготавливают призмы, составленные из двух треугольных призм с одинаковой или перпендикулярной ориентацией оптических осей. В них либо один луч отклоняется в сторону, так что из призмы выходит только один линейно-поляризованный луч, либо выходят оба луча, но разведённые на большой угол. Во втором способе используются сильнодихроичные кристаллы, в которых один из лучей поглощается, или тонкие плёнки — поляроиды в виде листов большой площади.

Возьмём два поляроида, сложим их и посмотрим сквозь них на какой-нибудь источник ес-тественого света. Если оси пропускания обоих поляроидов (то есть направления, в которых они поляризуют свет) совпадают, глаз увидит свет максимальной яркости; если они перпендикулярны, свет практически полностью погасится.

Свет от источника, пройдя через первый поляроид, окажется линейно-поляризованным вдоль его оси пропускания и в первом случае свободно пройдёт через второй поляроид, а во втором случае не пройдёт (вспомним пример с щелью в заборе). В первом случае говорят, что поляроиды параллельны, во втором — что поляроиды скрещены. В промежуточных случаях, когда угол между осями пропускания поляроидов отличается от 0 или 90о, мы получим и промежуточные значения яркости.

Пойдём дальше. В любом поляризаторе входящий свет расщепляется на два пространственно разделённых и линейно-поляризованных во взаимно-перпендикулярных плоскостях луча — обыкновенный и необыкновенный. А что будет, если не разделять пространственно обыкновенный и необыкновенный лучи и не гасить один из них?

На рисунке показана схема, реализующая этот случай. Свет определённой длины волны, прошедший через поляризатор Р и ставший линейно-поляризованным, падает под углом 90о на пластинку П, вырезанную из одноосного кристалла параллельно его оптической оси ZZ. В пластинке распространяются две волны — обыкновенная и необыкновенная — в одном направлении, но с разной скоростью (поскольку для них различны показатели преломления). Необыкновенная волна поляризована вдоль оптической оси кристалла, обыкновенная — в перпендикулярном направлении. Предположим, что угол а между направлением поляризации падающего на пластинку света (осью пропускания поляризатора Р) и оптической осью пластинки равен 45

о и амплитуды колебаний обыкновенной и необыкновенной волн Аои Аеравны. Это случай сложения двух взаимно-перпендикулярных колебаний с одинаковыми амплитудами. Посмотрим, что получится в результате.

Для наглядности обратимся к механической аналогии. Есть маятник, к нему прикреплена трубочка с вытекающими из неё тонкой струйкой чернилами. Маятник колеблется в строго фиксированном направлении, и чернила рисуют прямую линию на листе бумаги. Теперь мы толкнём его (не останавливая) в направлении, перпендикулярном плоскости качания, так, что размах его колебаний в новом направлении стал таким же, как и в начальном. Таким образом, мы имеем два ортогональных колебания с одинаковыми амплитудами. Что нарисуют чернила, зависит от того, в какой точке траектории АОВ находился маятник, когда мы его толкнули.

Предположим, что мы толкнули его в тот момент, когда он занимал крайнее левое положение, в точке А. Тогда на маятник подействуют две силы: одна в направлении первоначального движения (к точке О), другая — в перпендикулярном направлении АС. Поскольку эти силы одинаковы (амплитуды перпендикулярных колебаний равны), маятник пойдет по диагонали AD. Его траекторией станет прямая линия, идущая под углом 45о к направлениям обоих колебаний.

Если толкнуть маятник, когда он находится в крайнем правом положении, в точке В, то из аналогичных рассуждений ясно, что его траекторией будет тоже прямая, но повёрнутая на 90о. Если толкнуть маятник в средней точке О, конец маятника опишет круг, а если в какой-то произвольной точке — эллипс; причём его форма зависит от того, в какой именно точке толкнули маятник. Следовательно, круг и прямая — частные случаи эллиптического движения (прямая — это «вырожденный» эллипс).

Результирующее колебание маятника, совершаемое по прямой линии, — модель линейной поляризации. Если его траектория описывает окружность, колебание называется поляризованным по кругу или циркулярно-поляризованным. В зависимости от направления вращения, по часовой стрелке или против неё, говорят соответственно о право- или левоциркулярной поляризации. Наконец, если маятник описывает эллипс, колебание называется эллиптически-поляризованным, и в этом случае тоже различают правую или левую эллиптическую поляризацию.

Пример с маятником даёт наглядное представление, какую поляризацию получит колебание, возникающее при сложении двух взаимно-перпендикулярных линейно-поляризованных колебаний. Возникает вопрос: что служит аналогом задания второго (перпендикулярного) колебания в различных точках траектории маятника для световых волн?

Им служит разность фаз φ обыкновенной и необыкновенной волн. Толчку маятника в точке А соответствует нулевая разность фаз, в точке В — разность фаз 180о, в точке О — 90о, если маятник проходит через эту точку слева направо (от А к В), или 270о, если справа налево (от В к А). Следовательно, при сложении световых волн с ортогональными линейными поляризациями и одинаковыми амплитудами поляризация результирующей волны зависит от разности фаз складываемых волн.

Из таблицы видно, что при разности фаз 0о и 180о эллиптическая поляризация превращается в линейную, при разности 90о и 270о — в круговую с разными направлениями вращения результирующего вектора. А эллиптическую поляризацию можно получить сложением двух ортогональных линейно-поляризованных вол и при разности фаз 90о или 270о, если у этих волн различные амплитуды. Кроме того, циркулярно-поляризованный свет можно получить вообще без сложения двух линейно-поляризованных волн, например при эффекте Зеемана — расщеплении спектральных линий в магнитном поле. Неполяризованный свет частотой v, пройдя через приложенное в направлении распространения света магнитное поле, расщепляется на две компоненты с левой и правой циркулярными поляризациями и симметричными относительно ν частотами (ν — ∆ν) и (ν + ∆ν).

Весьма распространённый способ получения различных видов поляризации и их преобразования — использование так называемых фазовых пластинок из двоякопреломляющего материала c показателями преломления noи ne. Толщина пластинки d подобрана так, что на её выходе разность фаз между обыкновенной и необыкновенной компонентами волны равна 90 или 180о. Разности фаз 90о соответствует оптическая разность хода d(no — ne), равная λ/4, а разности фаз 180о — λ/2, где λ — длина волны света. Эти пластинки так и называются — четвертьволновая и полуволновая. Пластинку толщиной в одну четвёртую или половину длины волны изготовить практически невозможно, поэтому тот же результат получают с более толстыми пластинками, дающими разность хода (kλ + λ/4) и (kλ + λ/2), где k — некоторое целое число. Четвертьволновая пластинка превращает линейно-поляризованный свет в эллиптически-поляризованный; если же пластинка полуволновая, то на её выходе получается также линейно-поляризованный свет, но с направлением поляризации, перпендикулярным входящему. Разность фаз в 45о даст циркулярную поляризацию.

Если между параллельными или скрещёнными поляроидами поместить двоякопреломляющую пластинку произвольной толщины и посмотреть через эту систему на белый свет, то мы увидим, что поле зрения стало цветным. Если толщина пластинки неодинакова, возникают разноцветные участки, потому что разность фаз зависит от длины волны света. Если один из поляроидов (все равно, какой) повернуть на 90о, цвета изменятся на дополнительные: красный — на зелёный, жёлтый — на фиолетовый (в сумме они дают белый свет).

Поляризованный свет предлагали использовать для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля. Если на ветровое стекло и фары автомобиля нанести плёночные поляроиды с углом пропускания 45о, например вправо от вертикали, водитель будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещённые собственными фарами. Но у встречных автомобилей поляроиды фар окажутся скрещёнными с поляроидом ветрового стекла данного автомобиля, и свет фар встречных машин погаснет.

Два скрещённых поляроида составляют основу многих полезных устройств. Через скрещённые поляроиды свет не проходит, но, если поместить между ними оптический элемент, поворачивающий плоскость поляризации, можно открыть свету дорогу. Так устроены быстродействующие электрооптические модуляторы света. Между скрещёнными поляроидами помещается, например, двоякопреломляющий кристалл, на который подаётся электрическое напряжение. В кристалле в результате взаимодействия двух ортогональных линейно-поляризованных волн свет становится эллиптически-поляризованным с составляющей в плоскости пропускания второго поляроида (линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса). При подаче переменного напряжения будет периодически меняться форма эллипса и, следовательно, величина проходящей через второй поляроид составляющей. Так осуществляется модуляция — изменение интенсивности света с частотой приложенного напряжения, которая может быть очень высокой — до 1 гигагерца (109 Гц). Получается затвор, прерывающий свет миллиард раз в секунду. Эго используют во многих технических устройствах — в электронных дальномерах, оптических каналах связи, лазерной технике.

Известны так называемые фотохромные очки, темнеющие на ярком солнечном свету, но не способные защитить глаза при очень быстрой и яркой вспышке (например, при электросварке) — процесс затемнения идёт сравнительно медленно. Поляризационные очки на эффекте Поккельса обладают практически мгновенной «реакцией» (менее 50 мкс). Свет яркой вспышки поступает на миниатюрные фотоприемники (фотодиоды), подающие электрический сигнал, под действием которого очки становятся непрозрачными.

Поляризационные очки используют в стереокино, дающем иллюзию объёмности. В основе иллюзии лежит создание стереопары — двух изображений, снятых под разными углами, соответствующими углам зрения правого и левого глаза. Их рассматривают так, чтобы каждый глаз видел только предназначенный для него снимок. Изображение для левого глаза проецируют на экран через поляроид с вертикальной осью пропускания, а для правого — с горизонтальной осью и точно совмещают их на экране. Зритель смотрит через поляроидные очки, в которых ось левого поляроида вертикальна, а правого горизонтальна; каждый глаз видит только «своё» изображение, и возникает стереоэффект.

Для стереоскопического телевидения применяется способ быстрого попеременного затемнения стёкол очков, синхронизированного со сменой изображений на экране. За счёт инерции зрения возникает объёмное изображение.

Поляроиды широко применяются для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, от воды (отраженный от них свет сильно поляризован). Поляризован и свет экранов жидкокристаллических мониторов.

Поляризационные методы используются в минералогии, кристаллографии, геологии, биологии, астрофизике, метеорологии, при изучении атмосферных явлений.

Литература

Жевандров Н. Д. Поляризация света. — М.: Наука, 1969.

Жевандров Н. Д. Анизотропия и оптика. — М.: Наука, 1974.

Жевандров Н. Д. Применение поляризованного света. — М.: Наука, 1978.

Шерклифф У. Поляризованный свет / Пер. с англ. — М.: Мир, 1965.

Физпрактикум

ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ МИР

О свойствах поляризованного света, самодельных полярископах и о прозрачных предметах, начинающих переливаться всеми цветами радуги, журнал уже писал (см. «наука и жизнь» № 7, 1999 г.). Рассмотрим этот же вопрос с использованием новых технических устройств.

Любое устройство с цветным ЖК (жидкокристаллическим) экраном— монитор, ноутбук, телевизор, DVD-плеер, карманный компьютер, смартфон, коммуникатор, телефон, электронную фоторамку, MP3-плеер, цифровой фотоаппарат — можно использовать в качестве поляризатора (прибора, создающего поляризованный свет).

Дело в том, что сам принцип работы ЖК-монитора основан на обработке поляризованного света (1). Более подробное описание работы можно найти на http://master-tv.com/, а для нашего физпрактикума важно то, что если мы засветим экран белым светом, например, нарисовав белый квадрат или сфотографировав белый лист бумаги, то получим плоскополяризованный свет, на фоне которого мы и будем производить дальнейшие опыты.

Интересно, что, приглядевшись к белому экрану при большом увеличении, мы не увидим ни одной белой точки (2) — всё многообразие оттенков получается комбинацией оттенков красного, зелёного и синего цветов.

Может быть, по счастливой случайности наши глаза тоже используют три вида колбочек, реагирующих на красный, зелёный и синий цвета так, что при правильном соотношении основных цветов мы воспринимаем эту смесь как белый цвет.

Для второй части полярископа — анализатора — подойдут поляризованные очки фирмы «Polaroid», они продаются в магазинах для рыболовов (уменьшают блики от водной поверхности) или в автомагазинах (убирают блики от стеклянных поверхностей). Проверить подлинность таких очков очень просто: поворачивая очки относительно друг друга, можно практически полностью перекрыть свет (3).

Можно воспользоваться специальными поляризационными очками для стереокино (подробности на http://www.stereomir.ru/).

И, наконец, можно сделать анализатор из ЖК дисплейчика от испорченных электронных часов или других изделий с чёрно-белыми экранами( 4). При помощи этих несложных приспособлений можно увидеть немало интересного, а если поставить анализатор перед объективом фотоаппарата — сохранить удачные кадры (5).

Предмет из абсолютно прозрачной пластмассы — линейка (8), коробочка для CD-дисков (9) или сам «нулевой» диск (см. снимок на первой странице обложки), — помещённый между ЖК-экраном и анализатором, приобретает радужную окраску. Геометрическая фигурка из целлофана, снятого с сигаретной пачки и положенная на листок того же целлофана, становится цветной (6). А если повернуть анализатор на 90 градусов, все цвета изменятся на дополнительные — красный станет зелёным, жёлтый — фиолетовым, оранжевый — синим (7).

Причина этого явления в том, что прозрачный для естественного света материал на самом деле неоднороден, или, что то же самое, анизотропен. Его физические свойства, в том числе показатели преломления разных участков предмета, неодинаковы. Световой луч в нём расщепляется на два, которые идут с разными скоростями и поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Интенсивность поляризованного света, результат сложения двух световых волн, при этом не изменится. Но анализатор вырежет из него две плоско-поляризованные волны, колеблющиеся в одной плоскости, которые станут интерферировать (см. «Наука и жизнь» № 1, 2008 г.). Малейшее изменение толщины пластинки или напряжений в её толще приводит к появлению разности хода волн и возникновению окраски.

В поляризованном свете очень удобно изучать распределение механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях. Из прозрачной пластмассы делают плоскую модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную. Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали (острый угол, сильный изгиб и пр.) — в них концентрируются напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности.

Проделать такое исследование несложно и самим. Из органического стекла (желательно однородного) можно вырезать, скажем, модель гака (крюка для подъёма груза), подвесить её перед экраном, нагружать гирьками разного веса на проволочных петельках и наблюдать, как в ней меняется распределение напряжений.

Поляризация света для чайников: суть явления, сущность, определение

В нашем блоге уже можно найти статьи про преломление, дисперсию и дифракцию света. Теперь пришло время поговорить о том, в чем заключается сущность поляризации света.

В самом общем смысле правильнее говорить о поляризации волн. Поляризация света, как явление, представляет собой частный случай поляризации волны. Ведь свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне, воспринимаемом глазами человека.

Что такое поляризация света

Поляризация – это характеристика поперечных волн. Она описывает положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Если этой темы не было на лекциях в университете, то вы, вероятно, спросите: что это за колеблющаяся величина и какому направлению она перпендикулярна?

Как выглядит распространение света, если посмотреть на этот вопрос с точки зрения физики? Как, где и что колеблется, и куда при этом летит?

Электромагнитная волна

Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля Н. Кстати, интересные факты о природе света можно узнать из нашей статьи.

Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

Поляризация наблюдается только на поперечных волнах.

Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.

Если направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, свет называется поляризованным.

Возьмем свет на рисунке, который приведен выше. Он, безусловно, поляризован, так как вектор E колеблется в одной плоскости.

Если же вектор E колеблется в разных плоскостях с одинаковой  вероятностью, то такой свет называется естественным.

Поляризация света

Поляризация света по определению – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Откуда берется поляризованный свет?

Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.

Естественный, поляризованный  и частично поляризованный свет

Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.

Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.

В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света – турмалин.

Еще один способ получения поляризованного света – отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный.  При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения.

Поляризация отражением

Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера.

Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.

Линейно поляризованный свет – свет, который поляризован так, что вектор E колеблется только в одной определенной плоскости.

Практическое применение явления поляризации света

Поляризация света – не просто явление, которое интересно изучать. Оно широко применяется на практике.

Пример, с которым знакомы почти все – 3D-кинематограф. Еще один пример – поляризационные очки, в которых не видно бликов солнца на воде, а свет фар встречных машин не слепит водителя. Поляризационные фильтры применяются в фототехнике, а поляризация волн используется для передачи сигналов между антеннами космических аппаратов.

Фото, сделанные с применением поляризационного фильтра и без него

Поляризация – не самое сложное для понимания природное явление. Хотя если копнуть глубоко и начать основательно разбираться с физическими законами, которым она подчиняется, могут возникнуть сложности.

Чтобы не терять время и преодолеть трудности максимально быстро, обратитесь за советом и помощью к нашим авторам. Мы поможем выполнить реферат, лабораторную работу, решить контрольные задания на тему “поляризация света”.

Поляризованный свет в природе. Научные журналы. Наука и техника

В. МУРАХВЕРИ

Явление поляризации света, изучаемое и в школьном и в институтском курсах физики, остается в памяти многих из нас как любопытный, находящий применение в технике, но не встречающийся в повседневной жизни оптический феномен. Голландский физик Г. Кеннен в своей статье, опубликованной в журнале «Натуур эн техниек», показывает, что это далеко не так – поляризованный свет буквально окружает нас.

Человеческий глаз весьма чувствителен к окраске (то есть длине волны) и яркости света, но третья характеристика света, поляризация, ему практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой». В этом отношении некоторые представители животного мира гораздо совершеннее нас. Например, пчелы различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно. Человеку можно объяснить, что такое поляризация, с помощью специальных светофильтров он может увидеть, как меняется свет, если «вычесть» из него поляризацию, но представить себе картину мира «глазами пчелы» мы, видимо, не можем (тем более что зрение насекомых отличается от человеческого и во многих других отношениях).

Рис. 1. Схема строения зрительных рецепторов человека (слева) и членистоногого (справа). У человека молекулы родопсина расположены беспорядочно с складках внутриклеточной мембраны, у членистоногих – на выростах клетки, аккуратными рядами

Поляризация – это ориентированность колебаний световой волны в пространстве. Эти колебания перпендикулярны направлению движения луча света. Элементарная световая частица (квант света) представляет собой волну, которую можно сравнить для наглядности с волной, которая побежит по канату, если, закрепив один его конец, другой встряхнуть рукой. Направление колебаний каната может быть различным, смотря по тому, в каком направлении встряхивать канат. Точно так же и направление колебаний волны кванта может быть разным. Пучок света состоит из множества квантов. Если их колебания различны, такой свет не поляризован, если же все кванты имеют абсолютно одинаковую ориентацию, свет называют полностью поляризованным. Степень поляризации может быть различной в зависимости от того, какая доля квантов в нем обладает одинаковой ориентацией колебаний.

Существуют светофильтры, пропускающие только ту часть света, волны которой ориентированы определенным образом. Если через такой фильтр смотреть на поляризованный свет и при этом поворачивать фильтр, яркость пропускаемого света будет меняться. Она будет максимальна при совпадении направления пропускания фильтра с поляризацией света и минимальна при полном, (на 90°) расхождении этих направлений. С помощью фильтра можно обнаружить поляризацию, превышающую примерно 10%, а специальная аппаратура обнаруживает поляризацию порядка 0,1%.

Поляризационные фильтры, или поляроиды, продаются в магазинах фотопринадлежностей. Если через такой фильтр смотреть на чистое голубое небо (при облачности эффект выражен гораздо слабее) примерно в 90 градусах от направления на Солнце, то есть чтобы Солнце было сбоку, и при этом фильтр поворачивать, то ясно видно, что при некотором положении фильтра на небе появляется темная полоса. Это свидетельствует о поляризованности света, исходящего от этого участка неба. Поляроидный фильтр открывает нам явление, которое пчелы видят «простым глазом». Но не надо думать, что пчелы видят ту же темную полосу на небе. Наше положение можно сравнить с положением полного дальтоника, человека, неспособного видеть цвета. Тот, кто различает только черное, белое и различные оттенки серого цвета, мог бы, смотря на окружающий мир попеременно через светофильтры различного цвета, заметить, что картина мира несколько меняется. Например, через красный фильтр иначе выглядел бы красный мак на фоне зеленой травы, через желтый фильтр стали бы сильнее выделяться белые облака на голубом небе. Но фильтры не помогли бы дальтонику понять, как выглядит мир человека с цветным зрением. Так же, как цветные фильтры дальтонику, поляризационный фильтр может лишь подсказать нам, что у света есть какое-то свойство, не воспринимаемое глазом.

Поляризованность света, идущего от голубого неба, некоторые могут заметить и простым глазом. По данным известного советского физика академика С.И. Вавилова, этой способностью обладают 25…30% людей, хотя многие из них об этом не подозревают. При наблюдении поверхности, испускающей поляризованный свет (например, того же голубого неба), такие люди могут заметить в середине поля зрения слабо-желтую полоску с закругленными концами.

Рис. 2. Фигура Гайдингера

Еще слабее заметны голубоватые пятнышки в ее центре, по краям. Если плоскость поляризации света поворачивается, то поворачивается и желтая полоска. Она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний. Это так называемая фигура Гайдингера, она открыта немецким физиком Гайдингером в 1845 году. Способность видеть эту фигуру можно развивать, если хотя бы раз удастся ее заметить. Интересно, что еще в 1855 году, не будучи знакомым со статьей Гайдингера, напечатанной за девять лет до того в одном немецком физическом журнале, Лев Толстой писал («Юность», глава XXXII): «…я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает…» Такова была наблюдательность великого писателя.

Рис. 3.

В неполяризованном свете (1) колебания электрической и магнитной составляющей идут в самых разных плоскостях, которые можно свести к двум, выделенным на этом рисунке. Но колебаний по пути распространения луча нет (свет в отличие от звука – не продольные колебания). В поляризованном свете (2) выделена одна плоскость колебаний. В свете, поляризованном по кругу (циркулярно), эта плоскость закручивается в пространстве винтом (3). Упрощенная схема объясняет, почему поляризуется отраженный свет (4). Как уже сказано, все существующие в луче плоскости колебаний можно свести к двум, они показаны стрелками. Одна из стрелок смотрит на нас и условно видна нам как точка. После отражения света одно из существующих в нем направлений колебаний совпадает с новым направлением распространения луча, а электромагнитные колебания не могут быть направлены вдоль пути своего распространения.

Фигуру Гайдингера можно увидеть гораздо яснее, если смотреть через зеленый или синий светофильтр.

Поляризованность света, исходящего от чистого неба, – лишь один из примеров явлений поляризации в природе. Другой распространенный случай – это поляризованность отраженного света, бликов, например, лежащих на поверхности воды или стеклянных витрин. Собственно, фотографические поляроидные фильтры и предназначены для того, чтобы фотограф мог в случае необходимости устранять эти мешающие блики (например, при съемке дна неглубокого водоема или фотографировании картин и музейных экспонатов, защищенных стеклом). Действие поляроидов в этих случаях основано на том, что отраженный свет в той или иной степени поляризован (степень поляризации зависит от угла падения света и при определенном угле, разном для разных веществ, – так называемом угле Брюстера – отраженный свет поляризован полностью). Если теперь смотреть на блик через поляроидный фильтр, нетрудно подобрать такой поворот фильтра, при котором блик полностью или в значительной мере подавляется.

Применение поляроидных фильтров в противосолнечных очках или ветровом стекле позволяет убрать мешающие, слепящие блики от поверхности моря или влажного шоссе.

Почему поляризован отраженный свет и рассеянный свет неба? Полный и математически строгий ответ на этот вопрос выходит за рамки небольшой научно-популярной публикации (читатели могут найти его в литературе, список которой приведен в конце статьи). Поляризация в этих случаях связана с тем, что колебания даже в неполяризованном луче уже в определенном смысле «поляризованы»: свет в отличие от звука не продольные, а поперечные колебания. В луче нет колебаний по пути его распространения (см. схему). Колебания и магнитной и электрической составляющей электромагнитных волн в неполяризованном луче направлены во все стороны от его оси, но не по этой оси. Все направления этих колебаний можно свести к двум, взаимно перпендикулярным. Когда луч отражается от плоскости, он меняет направление и одно из двух направлений колебаний становится «запретным», так как совпадает с новым направлением распространения луча. Луч становится поляризованным. В прозрачном веществе часть света уходит вглубь, преломляясь, и преломленный свет тоже, хотя и в меньшей степени, чем отраженный, поляризован.

Рассеянный свет неба не что иное, как солнечный свет, претерпевший многократное отражение от молекул воздуха, преломившийся в капельках воды или ледяных кристаллах. Поэтому в определенном направлении от Солнца он поляризован. Поляризация происходит не только при направленном отражении (например, от водной глади), но и при диффузном. Так, с помощью поляроидного фильтра нетрудно убедиться, что поляризован свет, отраженный от покрытия шоссе. При этом действует удивительная зависимость: чем темнее поверхность, тем сильнее поляризован отраженный от нее свет. Эта зависимость получила название закона Умова, по имени русского физика, открывшего ее в 1905 году. Асфальтовое шоссе в соответствии с законом Умова поляризовано сильнее, чем бетонное, влажное – сильнее, чем сухое. Влажная поверхность не только сильнее блестит, но она еще и темнее сухой.

Заметим, что свет, отраженный от поверхности металлов (в том числе от зеркал – ведь каждое зеркало покрыто тонким слоем металла), не поляризован. Это связано с высокой проводимостью металлов, с тем, что в них очень много свободных электронов. Отражение электромагнитных волн от таких поверхностей происходит иначе, чем от поверхностей диэлектрических, непроводящих.

Поляризация света неба была открыта в 1871 году (по другим источникам даже в 1809 году), но подробное теоретическое объяснение этого явления было дано лишь в середине нашего века. Тем не менее, как обнаружили историки, изучавшие древние скандинавские саги о плаваниях викингов, отважные мореходы почти тысячу лет назад пользовались поляризацией неба для навигации. Обычно они плавали, ориентируясь по Солнцу, но, когда светило было скрыто за сплошной облачностью, что не редкость в северных широтах, викинги смотрели на небо через специальный «солнечный камень», который позволял увидеть на небе темную полоску в 90° от направления на Солнце, если облака не слишком плотны. По этой полосе можно судить, где находится Солнце. «Солнечный камень» – видимо, один из прозрачных минералов, обладающих поляризационными свойствами (скорее всего распространенный на севере Европы исландский шпат), а появление на небе более темной полосы объясняется тем, что, хотя за облаками Солнца и не видно, свет неба, проникающий через облака, остается в какой-то степени поляризованным. Несколько лет назад, проверяя это предположение историков, летчик провел небольшой самолет из Норвегии в Гренландию, в качестве навигационного прибора пользуясь только кристаллом минерала кордиерита, поляризующего свет.

Уже говорилось, что многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи не хуже викингов пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Что придает глазу насекомых такую способность? Дело в том, что в глазе млекопитающих (и в том числе человека) молекулы светочувствительного пигмента родопсина расположены беспорядочно, а в глазе насекомого те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позволяет им сильнее реагировать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул. Фигуру Гайдингера можно видеть потому, что часть нашей сетчатки покрыта тонкими, идущими параллельно волокнами, которые частично поляризуют свет.

Любопытные поляризационные эффекты наблюдаются и при редких небесных оптических явлениях, таких, как радуга и гало. То, что свет радуги сильно поляризован, обнаружили в 1811 году. Вращая поляроидный фильтр, можно сделать радугу почти невидимой. Поляризован и свет гало – светящихся кругов или дуг, появляющихся иногда вокруг Солнца и Луны. В образовании и радуги и гало наряду с преломлением участвует отражение света, а оба эти процесса, как мы уже знаем, приводят к поляризации. Поляризованы и некоторые виды полярного сияния.

Наконец, следует отметить, что поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Свет, испускаемый ею, – это так называемое синхротронное излучение, возникающее, когда быстро летящие электроны тормозятся магнитным полем. Синхротронное излучение всегда поляризовано.

Вернувшись на Землю, отметим, что некоторые виды жуков, обладающие металлическим блеском, превращают свет, отраженный от их спинки, в поляризованный по кругу. Так называют поляризованный свет, плоскость поляризации которого закручена в пространстве винтообразно, налево или направо. Металлический отблеск спинки такого жука при рассмотрении через специальный фильтр, выявляющий круговую поляризацию, оказывается левозакрученным. Все эти жуки относятся к семейству скарабеев, В чем биологический смысл описанного явления, пока неизвестно.

 

Литература:

  1. Брэгг У. Мир света. Мир звука. М.: Наука, 1967.
  2. Вавилов С.И. Глаз и Солнце. М.: Наука, 1981.
  3. Венер Р. Навигация по поляризованному свету у насекомых. Журн. «Сайентифик америкен», июль 1976 г.
  4. Жевандров И.Д. Анизотропия и оптика. М.: Наука, 1974.
  5. Кеннен Г.П. Невидимый свет. Поляризация в природе. Журн. «Натуур эн техниек». №5. 1983.
  6. Миннарт М. Свет и цвет в природе. М.: Физматгиз, 1958.
  7. Фриш К. Из жизни пчел. М.: Мир, 1980.

Ранее опубликовано:

Наука и жизнь. 1984. №4.

Дата публикации:

21 декабря 2002 года

Оптика и волны

Следствием теории Максвелла является поперечность электромагнитных (световых) волн распространяющихся в вакууме или изотропной среде: векторы напряженности электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (то есть перпендикулярно световому лучу). Явление поляризации света служит надежным обоснованием поперечности световой волны. При рассмотрении поляризации обычно все рассуждения связывают с плоскостью колебаний вектора напряженности электрического поля Е светового вектора, так как химическое, физиологическое и другие виды воздействия света на вещество обусловлены главным образом электрическими колебаниями. Однако при этом следует помнить об обязательном существовании перпендикулярного ему вектора напряженности магнитного поля Н.

Поляризация электромагнитной волны. Записывая решение для электрического поля плоской электромагнитной волны в виде

 

(6.1)

мы предполагали, что направление вектора амплитуды колебаний  не зависит от времени. В этом случае вектор электрического поля всегда и во всех точках волны направлен вдоль одной и той же прямой — колеблется в одной плоскости неизменной ориентации в пространстве.

Плоскость, в которой происходят колебания светового вектора, то есть плоскость, содержащая вектор   и направление распространения волны, называется плоскостью колебаний. Если эта плоскость не меняет во времени своей ориентации, то волна называется — линейно (плоско) поляризованной.

Выбирая ось х вдоль направления распространения волны, а ось у —  вдоль векторной амплитуды , записываем (6.1) в виде

 

(6.2)

Однако существует и вторая линейно поляризованная волна, имеющая ту же частоту и распространяющаяся в том же направлении:

 

(6.3)

Электрические колебания в этой волне направлены вдоль оси z, так что волны (6.2) и (6.3) линейно независимы. Обе они являются решением одного и того же волнового уравнения, так что их суперпозиция также является решением того же уравнения. Сложив эти волны, мы найдем общее выражение для монохроматической волны с данной частотой w, распространяющейся вдоль оси х. Математически эта процедура ничем не отличается от сложения взаимно ортогональных колебаний. Если зафиксировать какую-то точку х и следить за изменением вектора электрического поля в ней, то конец вектора  будет описывать эллиптическую, в общем случае, траекторию в плоскости, параллельной y0z. Вращение вектора  происходит с частотой волны . В этом случае говорят, что свет имеет эллиптическую поляризацию. Если разность фаз  кратна , то эллиптическая поляризация вырождается в линейную. При равенстве амплитуд Е0,уи Е0,гэллипс превращается в окружность. Тогда говорят о круговой поляризации волны. В соответствии с двумя возможными направлениями вращения вектора  возможны право- и левополяризованные волны. Любую электромагнитную волну можно представить как линейную комбинацию двух линейно поляризованных волн или как линейную комбинацию двух волн с круговой поляризацией. Иными словами, электромагнитные волны имеют две внутренние степени свободы.

Естественный и поляризованный свет. В свете, испускаемом обычными источниками, имеются колебания, совершающиеся в различных направлениях, перпендикулярных к лучу. В таких световых волнах, исходящих из различных элементарных излучателей (атомов), векторы  имеют различные ориентации, причем все эти ориентации равновероятны, что обусловлено большим числом атомных излучателей. Такой свет называется естественным, или неполяризованным.

Если под влиянием внешних воздействий на свет или внутренних особенностей источника света (лазер) появляется предпочтительное, наиболее вероятное направление колебаний, то такой свет называется частично поляризованным. Неполяризованный (естественный) свет может испускаться лишь огромным числом элементарных излучателей. Электромагнитная волна от отдельного элементарного излучателя (атома, молекулы) всегда поляризована. С помощью различных поляризаторов из пучка естественного света можно выделить часть, в которой колебания вектора  будут происходить в одном определенном направлении в плоскости, перпендикулярной лучу, то есть выделенный свет будет линейно поляризованным.

На рисунках направление колебаний электрического поля линейно поляризованной волны изображается следующим образом. Если вектор Е колеблется в плоскости чертежа, то на направление вектора скорости волны  наносится ряд вертикальных стрелочек (рис. 6.1-1), а если в плоскости, перпендикулярной чертежу, — ряд точек (рис. 6.1-2). Естественный (неполяризованный) свет условно обозначается чередующимися черточками, которым соответствует, например, компонента Еyвектора напряженности электрического поля, и точками, соответствующими другой компоненте Еz (рис. 6.1-3).

Рис. 6.1. Условные обозначения типа  поляризации волны 

Существуют приборы (поляризаторы), пропускающие только колебания, происходящие параллельно некоторой плоскости, называемой плоскостью поляризации прибора, и полностью задерживающие ортогональные колебания. Если пропустить через такой прибор пучок света, то на выходе он будет линейно поляризованным. При вращении прибора вокруг направления луча интенсивность выходящего света будет изменяться от IMAX до IMIN.

Степень поляризации света — это величина

 

(6.4)

 

 

 

Отметим, что формула (6.4)  пригодна для расчета степени поляризации света лишь в том случае, когда частично поляризованный свет представляет собой смесь естественного света и света линейно поляризованного и не работает, например, в случае смеси естественного света и света поляризованного по кругу. В общем случае степень поляризации может быть рассчитана как отношение интенсивности поляризованной компоненты  к суммарной интенсивности волны, то есть сумме интенсивностей поляризованной  и естественной  компонент смеси:

 

Нетрудно показать, что (6.4) есть частный случай последней формулы.

Если падающий пучок света линейно поляризован, то при положении прибора, когда его плоскость поляризации ортогональна плоскости колебаний волны, свет через прибор не пройдет, то есть . В соответствии с формулой (6.4) степень поляризации такого света . Для частично поляризованного света

и . Для естественного света, где волны разных поляризаций смешаны в равной степени и все направления эквивалентны, интенсивность выходящего света не изменяется при вращении поляризатора, так что  и .

Закон Малюса. В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е, например природные кристаллы турмалина. Монокристалл турмалина поглощает колебания вектора Е в одном направлении настолько сильно, что сквозь пластинку толщиной порядка 1 мм проходит только линейно поляризованный луч. Кристаллы йодистого хинина еще сильнее поглощают одну из поляризаций: кристаллическая пленка толщиной в десятую долю миллиметра практически полностью отделяет один из линейно поляризованных лучей.

Пусть естественный свет распространяется перпендикулярно плоскости рисунка 6.2.

Рис. 6.2. Разложение вектора амплитуды колебаний А в волне, падающей на поляризатор

Вектор  амплитуды колебаний электрического поля волны, совершающихся в плоскости, образующей с плоскостью поляризатора угол , можно разложить на два колебания с амплитудами

Первое колебание с амплитудой А|| пройдет через прибор (поляризатор), второе — с амплитудой А — будет задержано (поглощено). Интенсивность прошедшей волны пропорциональна квадрату амплитуды

Падающая волна является смесью волн с различными углами . Усредняя по углам, получаем для интенсивности света на выходе из поляризатора:

 

(6.5)

где  — интенсивность падающего на поляризатор света. В естественном свете все значения угла  равновероятны:

так что интенсивность света, прошедшего через поляризатор, будет равна . При вращении поляризатора вокруг направления луча естественного света интенсивность прошедшего света остается неизменной, но изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора.

Рассмотрим теперь падение линейно поляризованного света с интенсивностью  на тот же поляризатор (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Прохождение линейно поляризованной волны через поляризатор

Видео 6.1 Поляризатор и анализатор для дециметровой волны.

Видео 6.2 Поляризатор и анализатор для трехсантиметровой волны.

Сквозь прибор пройдет составляющая колебаний с амплитудой

где  — угол между плоскостью колебаний вектора Е и плоскостью поляризатора. Следовательно, интенсивность прошедшего света I определяется выражением

 

(6.6)

которое носит название закона Малюса. 

Видео 6.3 Поляризатор и анализатор для видимого света — 2

Видео 6.4 Естественный видимый свет. Три поляризатора. Закон Малюса.

Поляризационные приборы по своему целевому назначению делятся на поляризаторы и анализаторы. Поляризаторы служат для получения поляризованного света. С помощью анализатора можно убедиться, что падающий свет поляризован, и выяснить направление плоскости поляризации. Принципиальных различий в конструкционном отношении между поляризатором и анализатором не существует.

Поставим на пути естественного света два поляризатора, плоскости которых образуют угол  (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Пропускание естественного света через систему из двух поляризаторов

Из первого поляризатора выйдет линейно поляризованный свет, интенсивность которого , составит половину интенсивности падающего естественного света . Согласно закону Малюса из второго поляризатора (который играет роль анализатора) выйдет свет с интенсивностью

Таким образом, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, равна

 

(6.7)

Если угол  (плоскости поляризации поляризатора и анализатора параллельны), то ; если  (анализатор и поляризатор скрещены), то .

Пример 1. В частично поляризованном свете амплитуда колебаний, соответствующая максимальной интенсивности света при прохождении через поляризатор, в n = 2 раза больше амплитуды, соответствующей минимальной интенсивности. Определим степень поляризации света.

Поскольку интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, имеем

Отсюда степень поляризации света равна

Пример 2. На пути света со степенью поляризации Р = 0.6 поставили анализатор так, что интенсивность прошедшего света стала максимальной. Определим, во сколько раз уменьшится интенсивность, если анализатор повернуть на угол ?

В падающем луче по условию (см. предыдущий пример)

При повороте анализатора на угол  будут пропущены колебания, параллельные плоскости поляризации прибора. Поэтому интенсивность пропущенных колебаний, прежде бывших параллельными плоскости поляризации, составит

a интенсивность прошедших колебаний, до поворота задерживавшихся анализатором, равна

Суммарная интенсивность прошедших колебаний равна сумме

Стало быть, интенсивность уменьшится при повороте анализатора в 16/13 = 1.23 раза.

Поляризация при отражении и преломлении. Получить поляризованный свет из естественного можно еще одним способом — отражением. Опыт показывает, что отраженный от поверхности диэлектрика и преломленный лучи всегда частично поляризованы. Когда свет падает на диэлектрическую поверхность, то в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (точки на рис. 6.5), а в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (стрелки на рис. 6.5).

Рис. 6.5. Поляризация света при отражении и преломлении

Видео 6.5 Поляризация естественного света при отражении от стекла.

Степень поляризации зависит от угла падения лучей и от относительного показателя преломления сред. Исследуя это явление, английский физик Д. Брюстер установил, что при определенном значении угла падения

удовлетворяющем условию

 

(6.8)

отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча. Это соотношение известно как закон Брюстера. При

отражается только та компонента вектора напряженности электрического поля, которая параллельна поверхности диэлектрика (перпендикулярна плоскости падения). Соответственно, преломленный луч всегда частично поляризован, так как отражается лишь какая-то доля падающего света (не равная 50 %).

При падении света под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча, а преломленный луч частично поляризован с максимальной степенью поляризации.

Видео 6.6 Угол Брюстера.

Действительно, при

находим с учетом закона преломления

 

(6.10)

Получаем отсюда

 

(6.11)

Таким образом,

откуда следует, что преломленный луч перпендикулярен отраженному лучу (рис. 6.6).

Рис.6.6. Ход лучей при падении света под углом Брюстера: отраженный луч ортогонален преломленному,
 поэтому излучатели типа  (см. текст ниже) не вносят вклад в поляризацию отраженного луча 

Для того чтобы объяснить, почему отраженный при падении под углом Брюстера луч линейно поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, учтем, что отраженный свет есть результат излучения вторичных волн колеблющимися под действием светового вектора волны электрическими зарядами (электронами) в среде II. Эти колебания происходят в направлении колебаний вектора Е.

Разложим колебания вектора Е в среде II на два взаимно перпендикулярных направления (см. рис. 6.6): колебания , происходящие в плоскости падения (показаны стрелками), и колебания , происходящие перпендикулярно плоскости падения (показаны точками). В случае падения под углом Брюстера

отраженный луч перпендикулярен преломленному лучу 0С. Следовательно, параллелен . Из электромагнитной теории Максвелла известно, что колеблющийся электрический заряд не излучает электромагнитных волн вдоль направления своего движения. Поэтому колеблющийся в диэлектрике излучатель типа  вдоль направления не излучает. Таким образом, по направлению отраженного луча распространяется свет, посылаемый только излучателями типа , направления колебаний которых перпендикулярны плоскости падения.

Следует отметить, что на опыте закон Брюстера не выполняется вполне строго из-за дисперсии света.

Пример 3. Определим, на какой угловой высоте над горизонтом должно находиться Солнце, чтобы солнечный свет, отраженный от поверхности воды, был полностью поляризован.

Угол падения света связан с высотой Солнца над горизонтом соотношением

По условию угол падения равен углу Брюстера, так что

Показатели преломления воды п2 = 1.33, воздуха — п1 = 1. Отсюда находим

Пример 4. Угол Брюстера при падении света из воздуха на кристалл каменной соли равен . Определим скорость света V в этом кристалле.

Поскольку показатель преломления воздуха равен единице, показатель преломления каменной соли п совпадает с относительным показателем преломления  этих двух сред. Имеем поэтому

Видео 6.7 Поляризация света при двойном лучепреломление на границе раздела с анизотропным (одноосным) кристаллом. 

 

Дополнительные материалы

http://physbook.ru/index.php/Kvant… – Опыты и задачи по поляризации света

http://www.physics.spbstu.ru/forstudents/lectures/zaharov/20.pdf – Н.Г. Захаров. Практические занятия. Поляризация света

http://allphysics.ru/feynman/polyarizatsiya – Фейнмановские лекции по физике. Поляризация.

http://elementy.ru/trefil/21106 – Закон Брюстера.

Поляризованный свет – НЦЗД

Солнечный свет – энергетическая основа всех жизненных процессов на планете. Поэтому неслучайно световое излучение является одним из первых физических факторов, используемых человеком для лечения различных болезней.

Последние 30 лет ознаменовались открытием и созданием активного вида светолечения – лазерного излучения, а в 1981 году впервые венгерскими учеными, занимавшимися лазером, было установлено, что биологическая активность лазерного излучения обусловлена прежде всего поляризацией. На основании полученных данных был предложен и научно-обоснован новый, более щадящий, мягкий вид светотерапии – поляризованный свет (ПС), представляющий полихроматическое (разные длины волн) некогерентное излучение низкой интенсивности. Для практического воплощения этого нового метода фототерапии в Швейцарии был создан аппарат “Биоптрон”, генеризующий видимую и инфракрасную часть солнечного света (от 480 до 3400 нм), исключая ультрафиолетовый диапазон, что делает его безвредным, не представляющим опасности для глаз и кожи.

Почти 20-летний международный опыт клинического применения поляризованного света свидетельствует о его эффективности при заболеваниях самого различного этиопатогенеза. В значительной степени это связано с тем, что ПС индуцирует в организме широкий спектр положительных функциональных сдвигов, которые проявляются в его противовоспалительном, иммуномодулирующем, ранозаживляющем, анальгетическом и нормализующим обмен веществ действии.

Учитывая имеющиеся данные, терапия с применением ПС в настоящее время все шире применяется в медицине (в детской и взрослой практике) для лечения и профилактики различных заболеваний.

Так, клинические исследования показали целесообразность проведения светотерапии ПС у женщин с эндометриозом, гипогалактией и лактостазом: выявлено снижение частоты хирургических вмешательств, а также сокращение количества послеоперационных осложнений, нормализация как количества, так и качественного состава молока.
Широко используется ПС в ревматологии, травматологии и ортопедии, в спортивной медицине. Его применение в комплексном лечении патологии мышц, суставов и связочного аппарата позволяет уменьшить острые воспалительные явления, болезненность, отечность, нормализовать трофику тканей и улучшить функционирование конечностей, способствует более быстрому заживлению травм и рассасыванию гематом.

Светотерапия от аппаратов «Биоптрон» активно применяется в дерматологии и хирургии, при лечении атопического дерматита, акне, псориаза, ожогов различного происхождения, длительно незаживающих язв, пролежней, посттравматических и послеоперационных ран. Регенерирующее и биостимулирующее действие ПС широко применяется в косметологии в различных программах ухода за кожей.

Незаменим этот фактор и в комплексной профилактике и терапии у детей, подверженных частым респираторным инфекциям.
Особая актуальность ПС для педиатрии определяется тем, что применять его можно у детей с первого дня жизни, когда выбор методов физиотерапии очень ограничен. Использование ПС способствует снижению объема медикаментозной терапии, уменьшает степень выраженности побочных реакций на различные препараты. В неонатологии поляризованный свет применяют при опрелостях, потнице, омфалитах, атопическом дерматите, ринитах, отитах и др.

  

Зрение человека и поляризованный свет, основные понятия.

Зрение человека позволяет различать цветовые оттенки и яркость объектов. «Диафрагма» перед хрусталиком (радужная оболочка) как в фотоаппарате регулирует поступление света к сетчатке глаза. Но вот поляризованный свет для восприятия недоступен. В отличие от нас некоторые насекомые (к примеру, пчёлы) имеют более совершенное зрение. Для них поляризация света вполне различима, как и цвет объектов. Но человек изобрел приборы, позволяющие поляризацию различать, как насекомые. Свет – это электромагнитное излучение определенного диапазона. Плоско поляризованный свет образуется вертикально или горизонтально направленными волновыми колебаниями. Радиоволны тоже могут распространяться подобным образом, излучающие и принимающие их антенны располагаются соответственно. Сегодня в спутниковом телевидении широко используется поляризация для телевещания. Это позволяет на одной частоте передавать радиоволны разной поляризации, друг другу не мешающие.

Человек придумал светофильтры, пропускающие свет только определенной длины волны. Если посмотреть через такой светофильтр на поляризованный свет, поворачивая его, то станет изменяться яркость картинки. А при визуальном наблюдении чистого неба при поворачивании светофильтра появляется тёмная полоса – это и есть волны поляризованного света, человеческим зрением не воспринимаемые. Солнце при рассматривании небес должно находиться сбоку. Это возможно при восходе или закате светила.

Очень малое число людей могут различать на небе желтоватого цвета пятна или полоски поляризованного света. Существуют фотографические фильтры (поляроидные), позволяющие устранять блики поляризованного света при съемках. А для любителей просмотра фильмов в формате 3D изобретены специальные очки, позволяющие видеть трехмерную графику. Если смотреть на экран телеприемника без них при демонстрации киноленты, то изображение покажется испорченным. При наклонении головы (при просмотре фильма в поляроидных очках) эффект стереоскопичности пропадает. Только при круговой поляризации (правого или левого направления вращения) этого не происходит.

Явление поляризации света открыто Этьеном Малюсом в 1809 г. За это ему дали медаль и приняли во Французскую академию наук. Через 14 лет другой исследователь Огюст Френель вывел формулы изменения поляризации света. В природе можно видеть радугу и полярное сияние. Их свет поляризован, наблюдая эти явления через поляроидный фильтр, можно в этом убедиться. Испускают подобные электромагнитные волны и некоторые объекты Дальнего космоса. Среди них Крабовидная туманность.

Очень полезны солнцезащитные и одновременно поляризационные очки водителям в солнечную погоду. Меньше напрягается зрение, исчезают блики на лобовом стекле автомашин и асфальте. При этом не теряются ясность видения и цвет объектов. Световые лучи, отражаясь от гладких поверхностей, поляризуются по закону Малюса. Специальные очки убирают отраженные блики.


Если взять пару очков поляризационного типа и посмотреть через них на что-нибудь, развернув одни относительно других на 90 градусов, то изображение исчезнет. С обычными солнцезащитными очками этого не происходит. Так можно проверить поляризационные свойства оптических приборов.

Частично поляризованный свет

Страница 1 из 6

Всякая монохроматическая волна по самому своему определению непременно поляризована. Обычно, однако, приходится иметь дело с волнами лишь почти монохроматическими, содержащими частоты в некотором малом интервале Δω. Рассмотрим такую волну, и пусть и есть некоторая средняя ее частота. Тогда ее поле (будем говорить, для определенности, об электрическом поле Е) в заданной точке пространства можно написать в виде

 Е = Е0(t)eiωt,

где комплексная амплитуда Е0(t) является некоторой медленно меняющейся функцией времени (у строго монохроматической волны было бы Е0=const). Поскольку Е0 определяет поляризацию волны, то это значит, что в каждой точке волны ее поляризация меняется со временем; такую волну называют частично поляризованной.

Свойства поляризации электромагнитных волн, в частности света, наблюдаются экспериментально посредством пропускания исследуемого света через различные тела (например, призмы Николя) и измерения интенсивности прошедшего через тело света.

С математической точки зрения это означает, что о свойствах поляризации света делаются заключения, исходя из значений некоторых квадратичных функций его поля. При этом, разумеется, идет речь о средних по времени значениях этих функций.

Квадратичная функция поля состоит из членов, пропорциональных произведениям EαEß, или Eα. Произведения вида

EαEß = E0αE0ße−2iωt

содержащие быстро осциллирующие множители e±2iωt, при усреднении по времени дают нуль. Произведения же Eα=E0α такого множителя не содержат, и потому их средние значения отличны от нуля. Таким образом, мы видим, что свойства частично поляризованного света вполне характеризуются тензором

Jαß = .                                  (50.1)

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 .

Рисунок 1 – Поляризация света

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.

Рисунок 2 – Биопреломление в кристаллах кальцита

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:

Formula 1 – Угол Брюстера

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.

Рисунок 3 – Угол Брюстера

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.

Рисунок 4 – Действие поляризованных солнцезащитных очков

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.

Рисунок 5 – Поляризационная призма Николь

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.

Рисунок 6 – Прохождение поляризованного света через анализатор

Количество света, проходящего через пару скрещенных высококачественных поляризаторов, определяется ориентацией анализатора по отношению к поляризатору. Когда поляризаторы ориентированы перпендикулярно друг другу, они показывают максимальный уровень ослабления. Однако под другими углами получаются различные степени ослабления, как показано на векторных диаграммах, представленных на рис. 6 .Анализатор используется для управления количеством света, проходящего через скрещенную пару, и может поворачиваться на пути света, чтобы обеспечить прохождение поляризованного света различной амплитуды. На рис. 6 (a) поляризатор и анализатор имеют параллельные оси передачи, а электрические векторы света, проходящие через поляризатор и анализатор, равны по величине и параллельны друг другу.

Поворот оси пропускания анализатора на 30 градусов по отношению к оси поляризатора уменьшает амплитуду световой волны, проходящей через пару, как показано на Рисунок 6 (b) .В этом случае поляризованный свет, прошедший через поляризатор, может быть разделен на горизонтальные и вертикальные компоненты с помощью векторной математики для определения амплитуды поляризованного света, который может проходить через анализатор. Амплитуда луча, прошедшего через анализатор, равна вертикальной составляющей вектора (показана желтой стрелкой на , рис. 6 (b) ).

Продолжение вращения оси передачи анализатора на угол 60 градусов по отношению к оси передачи поляризатора дополнительно снижает величину компоненты вектора, которая передается через анализатор ( Рисунок 6 (c) ).Когда анализатор и поляризатор полностью пересекаются (угол 90 градусов), вертикальная составляющая становится незначительной ( Рисунок 6 (d) ), и поляризаторы достигают максимального значения ослабления.

Количество света, проходящего через пару поляризаторов, можно количественно описать, применив закон косинус-квадрата Малуса как функцию углов между осями пропускания поляризатора, используя уравнение:

Формула 2 – Закон Малуса

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.

Рисунок 7 – Поляризация рассеянного солнечного света

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.

Рисунок 8 – Световые волны с эллиптической и круговой поляризацией

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).

Рисунок 9 – Семисегментный жидкокристаллический дисплей (ЖКД)

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.

Рисунок 10 – Анатомия ячейки Поккельса

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 .

Рисунок 1 – Поляризация света

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.

Рисунок 2 – Биопреломление в кристаллах кальцита

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:

Formula 1 – Угол Брюстера

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.

Рисунок 3 – Угол Брюстера

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.

Рисунок 4 – Действие поляризованных солнцезащитных очков

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.

Рисунок 5 – Поляризационная призма Николь

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.

Рисунок 6 – Прохождение поляризованного света через анализатор

Количество света, проходящего через пару скрещенных высококачественных поляризаторов, определяется ориентацией анализатора по отношению к поляризатору. Когда поляризаторы ориентированы перпендикулярно друг другу, они показывают максимальный уровень ослабления. Однако под другими углами получаются различные степени ослабления, как показано на векторных диаграммах, представленных на рис. 6 .Анализатор используется для управления количеством света, проходящего через скрещенную пару, и может поворачиваться на пути света, чтобы обеспечить прохождение поляризованного света различной амплитуды. На рис. 6 (a) поляризатор и анализатор имеют параллельные оси передачи, а электрические векторы света, проходящие через поляризатор и анализатор, равны по величине и параллельны друг другу.

Поворот оси пропускания анализатора на 30 градусов по отношению к оси поляризатора уменьшает амплитуду световой волны, проходящей через пару, как показано на Рисунок 6 (b) .В этом случае поляризованный свет, прошедший через поляризатор, может быть разделен на горизонтальные и вертикальные компоненты с помощью векторной математики для определения амплитуды поляризованного света, который может проходить через анализатор. Амплитуда луча, прошедшего через анализатор, равна вертикальной составляющей вектора (показана желтой стрелкой на , рис. 6 (b) ).

Продолжение вращения оси передачи анализатора на угол 60 градусов по отношению к оси передачи поляризатора дополнительно снижает величину компоненты вектора, которая передается через анализатор ( Рисунок 6 (c) ).Когда анализатор и поляризатор полностью пересекаются (угол 90 градусов), вертикальная составляющая становится незначительной ( Рисунок 6 (d) ), и поляризаторы достигают максимального значения ослабления.

Количество света, проходящего через пару поляризаторов, можно количественно описать, применив закон косинус-квадрата Малуса как функцию углов между осями пропускания поляризатора, используя уравнение:

Формула 2 – Закон Малуса

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.

Рисунок 7 – Поляризация рассеянного солнечного света

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.

Рисунок 8 – Световые волны с эллиптической и круговой поляризацией

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).

Рисунок 9 – Семисегментный жидкокристаллический дисплей (ЖКД)

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.

Рисунок 10 – Анатомия ячейки Поккельса

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:

Поляризация с помощью поляроидного фильтра

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.

Поляризация путем отражения

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 за счет преломления

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.

Смотрите!

В приведенной ниже демонстрации слово PHUN (как в слове Physics is …) написано на стеклянной панели оверхед-проектора, выполненного в классном стиле. Образец исландского лонжерона помещается над словом PHUN.Два изображения слова PHUN можно слабо различить в первые секунды фильма. Кристалл дважды преломляет проходящий через него свет. Примерно на отметке 8 секунд фильтр Polaroid помещается на кристалл и вращается. По мере вращения два изображения поочередно появляются и исчезают. Свет, проходящий через кристалл, становится поляризованным, и когда фильтр Polaroid вращается, он блокирует и попеременно пропускает два световых пути. В результате два изображения PHUN можно просматривать по одному.Довольно крутая штука!


Поляризация рассеянием

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.

Приложения поляризации У

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.

Смотрите!

Рисунок воздушного шара был нанесен на стеклянную пластину.Затем к рисунку добавляли целлофановую ленту, так что каждый «сектор» воздушного шара состоял из ленты, выровненной в направлении, явно отличном от направления соседних «секторов». Хобби-нож использовался для аккуратного удаления нахлеста ленты из одного сектора в прилегающие секторы. Целлофановая лента способна вращать ось поляризации длин волн (то есть цвета) поляризованного света на разную величину.

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.

Проверьте свое понимание

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).

.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *