Поляризація світла — Закон Малюса та поляризатори |… |…

Осцилює світло вбік, а не вздовж його шляху

Світло є поздовжнім електромагнітним хвилею: електричне поле коливається перпендикулярно напрядку, в якому йде світло, а не вздовж нього. Оскільки існує безліч напрямків, що перпендикулярні даному шляху подорожі, це електричне поле може вказувати будь-яку точку в площині, що перетинає промінь — не поляризоване світло. Світло, чий електричний опір коливається вздовж одного фіксованого напрямку (або відстежує один фіксований повторюваний шаблон, такий як коло), називають поляризованим.

Поляризаційний фільтр виготовлений з довгих ланцюгів молекул, розташованих в одному напрямку, які поглинають компонент електричного поля паралельний ланцюгам і дозволяють пропустити майже незмінний перпендикулярний компонент. Пропустіть не поляризоване світло через один ідеальний поляризатор і, в середньому, приблизно половину його інтенсивності виживе, тепер все воно коливається вздовж одного напрямку передачі поляризатора — у всіх напрямках зменшено до одного.

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Закон Малюса: второй поляризатор выполняет интересную часть

Как только свет поляризован, второй поляризатор (традиционно называемый анализатором), ось пропускания которого находится под углом θ к первому, больше не просто блокирует или проходит его целиком. Проходит лишь компонент электрического поля, который проектируется на ось анализатора, и поскольку интенсивность зависит от квадрата амплитуды поля, интенсивность прошедшего света следует закону косинус-квадрат, открытому Этьенном-Луи Малюсом в 1808 году:

Закон Малюса: I(θ) = I₀ * cos²(θ) θ = 0 -> I = I₀ (оси выровнены, все проходит) θ = 45° -> I = I₀ / 2 θ = 90° -> I = 0 (перекрещенные поляризаторы, вообще нет света) Два поляризатора с осями на 90° друг от друга — «перекрещенные поляризаторы», блокируют практически весь свет, что легко продемонстрировать и часто показывают как трюк на вечеринке, но это также принцип работы ЖК-экранов: каждый пиксель находится между двумя перекрещенными поляризаторами, а слой жидких кристаллов между ними поворачивает поляризацию света на контролируемый угол, позволяя дисплею непрерывно регулировать прошедшую яркость от нуля до максимума без каких-либо движущихся частей.

Malus's law:

  I(theta) = I_0 * cos^2(theta)

  theta = 0      ->  I = I_0        (axes aligned, everything passes)
  theta = 45 deg ->  I = I_0 / 2
  theta = 90 deg ->  I = 0           (crossed polarisers, no light at all)

Імпульс і закон другого Ньютона

Відбиття та розсіювання обидва переважно поляризують світло. Світло, що відбивається від неметалічної поверхні, такої як вода або скло, стає частково поляризованим паралельно поверхні, і під одним особливим кутом — Брезстроусова кут, де відбиті та розсіяні промені будуть перпендикулярними один одному — світло повністю поляризується. Небо також поляризоване, оскільки розсіювання сонячного світла повітряними молекулами (розсіювання Релея) створює частковий поляризаційний патерн на небі, який найсильніший під кутом 90° від сонця; декілька видів комах і птахів можуть бачити цей патерн безпосередньо та використовувати його для навігації навіть за хмарного неба, що людський око не може зробити без допомоги.

Половинкове та еліптичне поляризація

Лінійна поляризація, де поле коливається назад і вперед вздовж однієї фіксованої лінії, є лише найпростішим випадком. Об’єднавши дві лінійно поляризовані хвилі рівної амплітуди, орієнтовані перпендикулярно одна одній з фазовою різницею 90°, то електричний вектор хвильового поля просліджує коло під час поширення — це півколійна поляризація. Будь-яка інша фазова різниця або співвідношення амплітуд просліджує еліпс — це еліптична поляризація, загальний випадок, з лінійною та півколійною поляризацією як двома його спеціальними межами. Матеріали, що називаються волнопластинами, виготовлені з кристалів, які по-різному сповільнюють світло залежно від напрямку поляризації, є стандартним інструментом для перетворення лінійної поляризації на півколісну та навпаки, і є важливими компонентами оптичних лазерів, окулярів 3D-кінематографа та багатьох квантових оптичних експериментів.

Frequently asked questions

Чому поляризовані сонцезахисні окуляри відсікають відблиски від води та доріг?

Світло, що відбивається від горизонтальної поверхні, такої як вода або мокра дорога, переважно горизонтально поляризоване, особливо біля кута Брезстера. Поляризовані сонцезахисні окуляри мають свій передавальний орієнтацію вертикальним, тому згідно із законом Малюса вони сильно послаблюють це горизонтальне відблищення, одночасно пропускаючи велику кількість випадково поляризованого світла, розсіяного від фактичного об'єкта.

Що відбувається, коли використовують три поляризатори замість двох перехреслених?

Навпаки, вставлення третього поляризатора під кутом 45° між двома перехресленими поляризаторами дозволяє деякому світлу проходити знову, незважаючи на те, що дві перехреслені поляризатори само по собі блокують все. Середній поляризатор повторно проектує світло вздовж свого орієнтації, а кінцевий поляризатор потім бачить ненульову компоненту цієї нової орієнтації — кожен етап лише зменшує інтенсивність на cos² кута між етапами, він не знищує всі паралельні компоненти безпосередньо.

Чи є поляризація актуальною лише для світла?

Ні — поляризація застосовується до будь-якої прикладної хвилі. Радіо та мікрохвильові антени навмисно будуються з певним поляризацією (тому супутникові та Wi-Fi антени повинні бути вирівняні), а навіть механічні приклади транвсверсивних хвиль, такі як звиті мотузки, можуть бути поляризовані шляхом пропускання їх через отвір. Довгочасні хвилі, такі як звичайний звук у повітрі, не мають поляризації, оскільки їх коливання відбуваються вздовж напрямку руху, без транвсверсивного напряму для орієнтації.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Polarisation of Light і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Polarisation of Light

Поляризація світла: Закон Малюса та зникнення променя