من الصعب تحديد من كان أول من اكتشف الضوء المستقطب. يمكن أن يلاحظ القدماء بقعة غريبة من خلال النظر إلى السماء في اتجاهات معينة. الاستقطاب له العديد من المراوغات ، ويتجلى في مجالات مختلفة من الحياة ، واليوم هو موضوع البحث والتطبيق الشامل ، والسبب في كل شيء هو قانون مالوس.
اكتشاف الضوء المستقطب
ربما استخدم الفايكنج استقطاب السماء للتنقل. حتى لو لم يفعلوا ، وجدوا بالتأكيد أيسلندا وحجر الكالسيت الرائع. كان الصاري الأيسلندي (الكالسيت) معروفًا حتى في عصرهم ، ومن سكان آيسلندا الذين يدين باسمه لهم. تم استخدام المعدن مرة واحدة في الملاحة بسبب خصائصه البصرية الفريدة. لقد لعبت دورًا رئيسيًا في الاكتشاف الحديث للاستقطاب ولا تزال المادة المفضلة لفصل مكونات الاستقطاب للضوء.
في عام 1669 ، لم ير عالم الرياضيات الدنماركي من جامعة كوبنهاغن ، إيراسموس بارثولينوس ، ضوءًا مزدوجًا فحسب ، بل أجرى أيضًا بعض التجارب ، وكتب مذكرات من 60 صفحة. هذا هوكان أول وصف علمي لتأثير الاستقطاب ، ويمكن اعتبار المؤلف مكتشف هذه الخاصية المذهلة للضوء.
طور كريستيان هيغنز نظرية الموجة النبضية للضوء ، والتي نشرها عام 1690 في كتابه الشهير Traite de la Lumiere. في الوقت نفسه ، قدم إسحاق نيوتن نظرية الجسيمات للضوء في كتابه Opticks (1704). في النهاية ، كان كلاهما على صواب وخاطئ ، لأن الضوء له طبيعة مزدوجة (موجة وجسيم). ومع ذلك ، كان Huygens أقرب إلى الفهم الحديث للعملية.
في عام 1801 ، أجرى توماس يونغ تجربة التداخل المزدوج الشق الشهير. ثبت أن الضوء يتصرف مثل الأمواج ، وأن تراكب الأمواج يمكن أن يؤدي إلى الظلام (التداخل المدمر). استخدم نظريته لشرح أشياء مثل حلقات نيوتن وأقواس قوس قزح الخارقة للطبيعة. حدث اختراق في العلم بعد بضع سنوات عندما أظهر يونغ أن الاستقطاب ناتج عن طبيعة الموجة العرضية للضوء.
عاش الشاب إتيان لويس مالوس في عصر مضطرب - خلال الثورة الفرنسية وعهد الإرهاب. شارك مع جيش نابليون في غزو مصر وفلسطين وسوريا ، حيث أصيب بالطاعون الذي قتله بعد سنوات قليلة. لكنه تمكن من تقديم مساهمة مهمة في فهم الاستقطاب. أصبح قانون مالوس ، الذي تنبأ بكثافة الضوء المنقول عبر المستقطب ، من أكثر القوانين شيوعًا في القرن الحادي والعشرين عند إنشاء شاشات الكريستال السائل.
السير ديفيد بروستر ، كاتب علمي مشهور ، درس مواضيع الفيزياء البصرية مثل ازدواج اللون والأطيافالامتصاص ، وكذلك الموضوعات الأكثر شيوعًا مثل التصوير الاستريو. العبارة الشهيرة لبروستر معروفة: "كل شيء شفاف ماعدا الزجاج".
قدم أيضًا مساهمة لا تقدر بثمن في دراسة الضوء:
- القانون الذي يصف "زاوية الاستقطاب".
- اختراع المشكال
كرر
بريوستر تجارب مالوس للعديد من الأحجار الكريمة والمواد الأخرى ، واكتشف شذوذًا في الزجاج ، واكتشف القانون - "زاوية بروستر". وفقا له ، "… عندما تكون الحزمة مستقطبة ، فإن الحزمة المنعكسة تشكل زاوية قائمة مع الحزمة المنكسرة."
Malus قانون الاستقطاب
قبل أن نتحدث عن الاستقطاب ، يجب أن نتذكر أولاً الضوء. الضوء عبارة عن موجة ، على الرغم من أنه أحيانًا يكون جسيمًا. لكن على أي حال ، يكون الاستقطاب منطقيًا إذا فكرنا في الضوء كموجة ، كخط ، لأنه ينتقل من المصباح إلى العينين. معظم الضوء عبارة عن فوضى مختلطة من موجات الضوء التي تهتز في جميع الاتجاهات. يسمى اتجاه التذبذب هذا باستقطاب الضوء. المستقطب هو الجهاز الذي ينظف هذه الفوضى. يقبل أي شيء يمزج الضوء ويسمح فقط بالمرور للضوء الذي يتذبذب في اتجاه واحد معين.
صياغة قانون Malus هي: عندما يسقط ضوء مستقطب مسطح تمامًا على المحلل ، فإن شدة الضوء المنقول بواسطة المحلل تتناسب طرديًا مع مربع جيب التمام للزاوية بين محاور نقل المحلل و المستقطب
تحتوي الموجة الكهرومغناطيسية المستعرضة على كل من المجالين الكهربائي والمغناطيسي ، ويكون المجال الكهربائي في الموجة الضوئية عموديًا على اتجاه انتشار الموجة الضوئية. اتجاه اهتزاز الضوء هو المتجه الكهربائي E.
بالنسبة لشعاع عادي غير مستقطب ، يستمر المتجه الكهربائي في تغيير اتجاهه بشكل عشوائي عندما يمر الضوء عبر مستقطب ، والضوء الناتج مستقطب مع ناقله الكهربائي يهتز في اتجاه معين. يعتمد اتجاه متجه الحزمة الناشئة على اتجاه بولارويد ، وقد تم تصميم مستوى الاستقطاب كمستوى يحتوي على المتجه E وشعاع الضوء.
يوضح الشكل أدناه ضوءًا مستقطبًا مسطحًا بسبب المتجه الرأسي EI والمتجه الأفقي EII.
يمر الضوء غير المستقطب عبر Polaroid P 1 ثم عبر Polaroid P 2 ، مكونًا زاوية θ مع y ax-s. بعد مرور الضوء على طول الاتجاه x عبر Polaroid P 1 ، فإن المتجه الكهربائي المرتبط بالضوء المستقطب سوف يهتز فقط على طول المحور y.
الآن إذا سمحنا لهذه الحزمة المستقطبة بالمرور عبر المستقطب P 2 مرة أخرى ، مما يجعل زاوية θ مع المحور y ، ثم إذا كانت E 0 هي سعة المجال الكهربائي الساقط على P 2 ، فإن سعة ستكون الموجة الخارجة من P 2 مساوية لـ E 0 cosθ ، وبالتالي ، ستكون شدة الحزمة الناشئة وفقًا لقانون Malus (الصيغة) I=I 0 cos 2 θ
حيث I 0 هي شدة الشعاع الخارج من P 2 عندما θ=0θ هي الزاوية بين مستويات الإرسال للمحلل والمستقطب.
مثال على حساب شدة الضوء
Malus 'Law: I 1=I o cos 2 (q) ؛
حيث q هي الزاوية بين اتجاه استقطاب الضوء ومحور انتقال المستقطب.
ضوء غير مستقطب بكثافة I o=16 W / m 2 يسقط على زوج من المستقطبات. يحتوي المستقطب الأول على محور إرسال محاذي على مسافة 50 درجة من العمودي. المستقطب الثاني لديه محور إرسال محاذي على مسافة 20 درجة من العمودي.
يمكن إجراء اختبار لقانون Malus من خلال حساب مدى شدة الضوء عندما يخرج من المستقطب الأول:
4 واط / م 2
16 cos 2 50o
8 واط / م 2
12 واط / م 2
الضوء غير مستقطب ، لذلك أنا 1=1/2 أنا o=8 واط / م 2.
شدة الضوء من المستقطب الثاني:
أنا 2=4 واط / م 2
أنا 2=8 cos 2 20 o
أنا 2=6 واط / م 2
متبوعًا بقانون Malus ، الذي تؤكد صياغته أنه عندما يترك الضوء المستقطب الأول ، فإنه مستقطب خطيًا عند 50 درجة. الزاوية بين هذا ومحور الإرسال للمستقطب الثاني هي 30 [درجة]. لذلك:
I 2=أنا 1 cos 2330o=83/4 =6 واط / م 2.
الآن يقع الاستقطاب الخطي لشعاع من الضوء بقوة 16 واط / م 2 على نفس زوج المستقطبات. اتجاه استقطاب الضوء الساقط هو 20 درجة من الاتجاه العمودي.
شدة الضوء الخارج من المستقطبين الأول والثاني. بالمرور عبر كل مستقطب ، تنخفض الشدة بمعامل 3/4. بعد مغادرة المستقطب الأولالشدة 163/4 =12 واط / م 2 وتنخفض إلى 123/4 =9 واط / م 2 بعد اجتياز الثانية.
يقول قانون Malusian الاستقطاب أنه لتحويل الضوء من اتجاه واحد للاستقطاب إلى آخر ، يتم تقليل فقدان الكثافة باستخدام المزيد من المستقطبات.
لنفترض أنك بحاجة إلى تدوير اتجاه الاستقطاب بمقدار 90o.
| N ، عدد المستقطبات | الزاوية بين المستقطبات المتتالية | أنا1/ أناo |
| 1 | 90o | 0 |
| 2 | 45o | 1/2 × 1/2=1/4 |
| 3 | 30o | 3/4 × 3/4 × 3/4=27/64 |
| N | 90 / N | [cos2(90o/ N)]N |
حساب زاوية انعكاس بروستر
عندما يصطدم الضوء بسطح ما ، ينعكس بعض الضوء ويخترق بعضه (ينكسر). يعتمد المقدار النسبي لهذا الانعكاس والانكسار على المواد التي تمر عبر الضوء ، بالإضافة إلى الزاوية التي يصطدم بها الضوء بالسطح. هناك زاوية مثالية ، اعتمادًا على المواد ، تسمح للضوء بالانكسار (الاختراق) قدر الإمكان. تُعرف هذه الزاوية المثالية بزاوية الفيزيائي الاسكتلندي ديفيد بروستر.
احسب الزاويةيتم إنتاج بروستر للضوء الأبيض المستقطب العادي بواسطة الصيغة:
ثيتا=arctan (n1 / n2) ،
حيث ثيتا هي زاوية بروستر ، و n1 و n2 هي مؤشرات الانكسار للوسيطتين.
لحساب أفضل زاوية لاختراق الضوء الأقصى من خلال الزجاج - من جدول معامل الانكسار نجد أن معامل الانكسار للهواء هو 1.00 وأن معامل الانكسار للزجاج هو 1.50.
زاوية بروستر ستكون arctan (1.50 / 1.00)=arctan (1.50)=56 درجة (تقريبًا).
حساب أفضل زاوية ضوء لاختراق الماء الأقصى. يتبين من جدول مؤشرات الانكسار أن مؤشر الهواء هو 1.00 ، وأن معامل الانكسار للماء هو 1.33.
زاوية بروستر ستكون arctan (1.33 / 1.00)=arctan (1.33)=53 درجة (تقريبًا).
استخدام الضوء المستقطب
لا يستطيع الشخص العادي البسيط حتى تخيل مدى استخدام المستقطبات بشكل مكثف في العالم. الاستقطاب في ضوء قانون مالوس يحيط بنا في كل مكان. على سبيل المثال ، الأشياء الشائعة مثل النظارات الشمسية Polaroid ، وكذلك استخدام مرشحات الاستقطاب الخاصة لعدسات الكاميرا. تستخدم الأدوات العلمية المختلفة الضوء المستقطب المنبعث من الليزر أو عن طريق استقطاب المصابيح المتوهجة ومصادر الفلورسنت.
تستخدم المستقطبات أحيانًا في إضاءة الغرفة والمسرح لتقليل الوهج وتوفير المزيد من الإضاءة المتساوية وكنظارات لإعطاء إحساس مرئي بالعمق للأفلام ثلاثية الأبعاد. المستقطبات المتقاطعة حتىتستخدم في بدلات الفضاء لتقليل كمية الضوء التي تدخل عيون رائد الفضاء بشكل كبير أثناء النوم.
اسرار البصريات في الطبيعة
لماذا السماء الزرقاء ، الغروب الأحمر والسحب البيضاء؟ هذه الأسئلة معروفة للجميع منذ الطفولة. توفر قوانين Malus و Brewster تفسيرات لهذه التأثيرات الطبيعية. سماءنا ملونة حقًا ، بفضل الشمس. يحتوي ضوءها الأبيض الساطع على جميع ألوان قوس قزح المضمنة بالداخل: الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والنيلي والبنفسجي. في ظل ظروف معينة ، يلتقي الشخص إما بقوس قزح أو غروب الشمس أو مساء رمادي متأخر. السماء زرقاء بسبب "تشتت" ضوء الشمس. اللون الأزرق له طول موجي أقصر وطاقة أكثر من الألوان الأخرى.
نتيجة لذلك ، يتم امتصاص اللون الأزرق بشكل انتقائي بواسطة جزيئات الهواء ، ثم يتم إطلاقه مرة أخرى في جميع الاتجاهات. الألوان الأخرى أقل تشتتًا وبالتالي فهي غير مرئية عادةً. تكون شمس الظهيرة صفراء بعد امتصاص لونها الأزرق. عند شروق الشمس أو غروبها ، يدخل ضوء الشمس بزاوية منخفضة ويجب أن يمر عبر سُمك كبير من الغلاف الجوي. ونتيجة لذلك ، فإن اللون الأزرق مبعثر تمامًا ، بحيث يمتص الهواء معظمه تمامًا ، ويفقد وينتشر الألوان الأخرى ، خاصةً البرتقالي والأحمر ، مما يخلق أفقًا لونيًا رائعًا.
ألوان ضوء الشمس مسؤولة أيضًا عن كل الأشكال التي نحبها على الأرض ، سواء كانت خضراء عشبية أو المحيط الفيروزي. يحدد سطح كل كائن الألوان المحددة التي سيعكسها من أجلهاتميز نفسك. غالبًا ما تكون الغيوم بيضاء ناصعة لأنها عاكسات ممتازة أو ناشرات لأي لون. تتم إضافة جميع الألوان التي تم إرجاعها معًا إلى اللون الأبيض المحايد. تعكس بعض المواد جميع الألوان بالتساوي مثل الحليب والطباشير والسكر.
اهمية حساسية الاستقطاب في علم الفلك
لفترة طويلة ، تم تجاهل دراسة قانون مالوس ، تأثير الاستقطاب في علم الفلك. إن Starlight غير مستقطب بالكامل تقريبًا ويمكن استخدامه كمعيار. يمكن أن يخبرنا وجود الضوء المستقطب في علم الفلك عن كيفية تكوين الضوء. في بعض المستعرات الأعظمية ، الضوء المنبعث ليس غير مستقطب. اعتمادًا على جزء النجمة الذي يتم عرضه ، يمكن رؤية استقطاب مختلف.
هذه المعلومات حول استقطاب الضوء من مناطق مختلفة من السديم يمكن أن تعطي الباحثين أدلة على موقع النجم المظلل.
في حالات أخرى ، يمكن أن يكشف وجود الضوء المستقطب عن معلومات حول الجزء الكامل من المجرة غير المرئية. استخدام آخر للقياسات الحساسة للاستقطاب في علم الفلك هو الكشف عن وجود المجالات المغناطيسية. من خلال دراسة الاستقطاب الدائري لألوان محددة جدًا من الضوء المنبعث من هالة الشمس ، اكتشف العلماء معلومات حول قوة المجال المغناطيسي في هذه الأماكن.
الفحص المجهري البصري
تم تصميم مجهر الضوء المستقطب لرصد وتصوير العينات المرئية من خلالهطبيعتها متباينة الخواص بصريا. المواد متباينة الخواص لها خصائص بصرية تتغير مع اتجاه انتشار الضوء الذي يمر من خلالها. لإنجاز هذه المهمة ، يجب أن يكون المجهر مزودًا بكل من المستقطب الموضوعة في مسار الضوء في مكان ما أمام العينة ، ومحلل (المستقطب الثاني) موضوع في المسار البصري بين الفتحة الخلفية الموضوعية وأنابيب المشاهدة أو منفذ الكاميرا
تطبيق الاستقطاب في الطب الحيوي
يعتمد هذا الاتجاه الشائع اليوم على حقيقة أنه يوجد في أجسامنا العديد من المركبات النشطة بصريًا ، أي يمكنها تدوير استقطاب الضوء المار من خلالها. يمكن للمركبات النشطة بصريًا المختلفة أن تقوم بتدوير استقطاب الضوء بكميات مختلفة وفي اتجاهات مختلفة.
توجد بعض المواد الكيميائية النشطة بصريًا بتركيزات أعلى في المراحل المبكرة من مرض العين. يمكن للأطباء استخدام هذه المعرفة لتشخيص أمراض العيون في المستقبل. يمكن للمرء أن يتخيل أن الطبيب يسلط مصدر ضوء مستقطب في عين المريض ويقيس استقطاب الضوء المنعكس من شبكية العين. تستخدم كطريقة غير جراحية لفحص أمراض العيون.
هدية الحداثة - شاشة ال سي دي
إذا نظرت عن كثب إلى شاشة LCD ، ستلاحظ أن الصورة عبارة عن مجموعة كبيرة من المربعات الملونة مرتبة في شبكة. في نفوسهم وجدوا تطبيق قانون مالوس ،فيزياء العملية التي خلقت الظروف عندما يكون لكل مربع أو بكسل لونه الخاص. هذا اللون هو مزيج من الضوء الأحمر والأخضر والأزرق في كل شدة. يمكن لهذه الألوان الأساسية إنتاج أي لون يمكن للعين البشرية رؤيته لأن عيوننا ثلاثية الألوان.
بعبارة أخرى ، يقاربون أطوال موجية محددة للضوء من خلال تحليل شدة كل قناة من قنوات الألوان الثلاثة.
يعرض استغلال هذا القصور من خلال عرض ثلاثة أطوال موجية تستهدف بشكل انتقائي كل نوع من المستقبلات. توجد المرحلة البلورية السائلة في الحالة الأرضية ، حيث يتم توجيه الجزيئات في طبقات ، وكل طبقة لاحقة تلتف قليلاً لتشكيل نمط حلزوني.
شاشة LCD ذات 7 مقاطع:
- قطب موجب.
- القطب السالب
- المستقطب 2.
- عرض.
- المستقطب 1.
- الكريستال السائل.
هنا شاشة LCD بين لوحين زجاجيين مجهزين بأقطاب كهربائية. شاشات LCD لمركبات كيميائية شفافة ذات "جزيئات ملتوية" تسمى البلورات السائلة. ترجع ظاهرة النشاط البصري في بعض المواد الكيميائية إلى قدرتها على تدوير مستوى الضوء المستقطب.
أفلام 3D Stereopsis
يسمح الاستقطاب للدماغ البشري بتزييف الصور ثلاثية الأبعاد من خلال تحليل الاختلافات بين الصورتين. لا يستطيع البشر الرؤية في الأبعاد الثلاثية ، ولا تستطيع أعيننا الرؤية إلا في الأبعاد الثنائية.الصور. ومع ذلك ، يمكن لأدمغتنا أن تفهم مدى بعد الأشياء من خلال تحليل الاختلافات في ما تراه كل عين. تُعرف هذه العملية باسم Stereopsis.
نظرًا لأن أدمغتنا يمكنها فقط رؤية الصور الزائفة ثلاثية الأبعاد ، يمكن لصانعي الأفلام استخدام هذه العملية لخلق وهم ثلاثي الأبعاد دون اللجوء إلى الصور المجسمة. تعمل جميع الأفلام ثلاثية الأبعاد من خلال تقديم صورتين ، واحدة لكل عين. بحلول الخمسينيات من القرن الماضي ، أصبح الاستقطاب هو الطريقة السائدة لفصل الصور. بدأت المسارح في تشغيل جهازي عرض في وقت واحد ، مع مستقطب خطي فوق كل عدسة.
بالنسبة للجيل الحالي من الأفلام ثلاثية الأبعاد ، تحولت التكنولوجيا إلى الاستقطاب الدائري ، الذي يعتني بمشكلة الاتجاه. يتم تصنيع هذه التكنولوجيا حاليًا بواسطة RealD وتمثل 90 ٪ من سوق 3D. أصدرت RealD مرشحًا دائريًا يقوم بالتبديل بين الاستقطاب في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة بسرعة كبيرة ، لذلك يتم استخدام جهاز عرض واحد فقط بدلاً من اثنين.
