Il est difficile de distinguer qui a été le premier à découvrir la lumière polarisée. Les anciens pouvaient remarquer un endroit particulier en regardant le ciel dans certaines directions. La polarisation a de nombreuses bizarreries, se manifeste dans différents domaines de la vie, et fait aujourd'hui l'objet de recherches et d'applications de masse, la raison de tout est la loi de Malus.
Découverte de la lumière polarisée
Les Vikings ont peut-être utilisé la polarisation du ciel pour naviguer. Même s'ils ne l'ont pas fait, ils ont définitivement trouvé l'Islande et la merveilleuse pierre de calcite. Le spath islandais (calcite) était déjà connu à leur époque, ce sont les habitants de l'Islande auxquels il doit son nom. Le minéral était autrefois utilisé dans la navigation en raison de ses propriétés optiques uniques. Il a joué un rôle majeur dans la découverte moderne de la polarisation et continue d'être le matériau de choix pour séparer les composantes de polarisation de la lumière.
En 1669, le mathématicien danois de l'Université de Copenhague, Erasmus Bartholinus, a non seulement vu une double lumière, mais a également réalisé quelques expériences, écrivant un mémoire de 60 pages. C'estfut la première description scientifique de l'effet de polarisation, et l'auteur peut être considéré comme le découvreur de cette étonnante propriété de la lumière.
Christian Huygens a développé la théorie des ondes pulsées de la lumière, qu'il a publiée en 1690 dans son célèbre livre Traité de la Lumière. Au même moment, Isaac Newton a avancé la théorie corpusculaire de la lumière dans son livre Opticks (1704). En fin de compte, les deux avaient raison et tort, car la lumière a une double nature (onde et particule). Pourtant, Huygens était plus proche de la compréhension moderne du processus.
En 1801, Thomas Young a réalisé la célèbre expérience d'interférence à double fente. Il a été prouvé que la lumière se comporte comme des ondes et que la superposition d'ondes peut conduire à l'obscurité (interférence destructrice). Il a utilisé sa théorie pour expliquer des choses comme les anneaux de Newton et les arcs-en-ciel surnaturels. Une percée scientifique a eu lieu quelques années plus tard lorsque Jung a montré que la polarisation est due à la nature ondulatoire transversale de la lumière.
Le jeune Etienne Louis Malus a vécu à une époque mouvementée - pendant la Révolution française et le règne de la terreur. Il participa avec l'armée de Napoléon à l'invasion de l'Égypte, ainsi que de la Palestine et de la Syrie, où il contracta la peste qui le tua quelques années plus tard. Mais il a réussi à apporter une contribution importante à la compréhension de la polarisation. La loi de Malus, qui prédisait l'intensité de la lumière transmise à travers un polariseur, est devenue l'une des plus populaires au 21e siècle lors de la création d'écrans à cristaux liquides.
Sir David Brewster, écrivain scientifique renommé, a étudié des sujets de physique optique tels que le dichroïsme et les spectresabsorption, ainsi que des sujets plus populaires tels que la photographie stéréo. La célèbre phrase de Brewster est connue: "Tout est transparent sauf le verre".
Il a également apporté une contribution inestimable à l'étude de la lumière:
- La loi décrivant "l'angle de polarisation".
- Invention du kaléidoscope.
Brewster a répété les expériences de Malus pour de nombreuses pierres précieuses et autres matériaux, découvrant une anomalie dans le verre et découvrant la loi - "l'angle de Brewster". Selon lui, "… lorsque le faisceau est polarisé, le faisceau réfléchi forme un angle droit avec le faisceau réfracté."
Loi de Polarisation Malus
Avant de parler de polarisation, il faut d'abord se souvenir de la lumière. La lumière est une onde, même si parfois c'est une particule. Mais dans tous les cas, la polarisation a du sens si nous considérons la lumière comme une onde, comme une ligne, lorsqu'elle se déplace de la lampe aux yeux. La plupart de la lumière est un mélange d'ondes lumineuses qui vibrent dans toutes les directions. Cette direction d'oscillation s'appelle la polarisation de la lumière. Le polariseur est l'appareil qui nettoie ce gâchis. Il accepte tout ce qui mélange la lumière et ne laisse passer que la lumière qui oscille dans une direction particulière.
La formulation de la loi de Malus est: lorsqu'une lumière polarisée complètement plate tombe sur l'analyseur, l'intensité de la lumière transmise par l'analyseur est directement proportionnelle au carré du cosinus de l'angle entre les axes de transmission de l'analyseur et le polariseur.
Une onde électromagnétique transversale contient à la fois un champ électrique et un champ magnétique, et le champ électrique dans une onde lumineuse est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde lumineuse. La direction de la vibration lumineuse est le vecteur électrique E.
Pour un faisceau non polarisé ordinaire, le vecteur électrique continue de changer de direction de manière aléatoire lorsque la lumière traverse un polaroid, la lumière résultante est polarisée dans le plan avec son vecteur électrique vibrant dans une certaine direction. La direction du vecteur du faisceau émergent dépend de l'orientation du polaroid, et le plan de polarisation est conçu comme un plan contenant le vecteur E et le faisceau lumineux.
La figure ci-dessous montre une lumière polarisée plate due au vecteur vertical EI et au vecteur horizontal EII.
La lumière non polarisée passe à travers un Polaroid P 1 puis à travers un Polaroid P 2, formant un angle θ avec y axe-s. Après que la lumière se propageant le long de la direction x passe à travers le Polaroid P 1, le vecteur électrique associé à la lumière polarisée ne vibrera que le long de l'axe y.
Maintenant si nous laissons ce faisceau polarisé traverser à nouveau le P 2 polarisé en faisant un angle θ avec l'axe y, alors si E 0 est l'amplitude du champ électrique incident sur P 2, alors l'amplitude de l'onde sortant de P 2, sera égale à E 0 cosθ et, par conséquent, l'intensité du faisceau émergent sera selon la loi de Malus (formule) I=I 0 cos 2 θ
où I 0 est l'intensité du faisceau sortant de P 2 lorsque θ=0θ est l'angle entre les plans de transmission de l'analyseur et le polariseur.
Exemple de calcul d'intensité lumineuse
Loi de Malus: I 1=I o cos 2 (q);
où q est l'angle entre la direction de polarisation de la lumière et l'axe de transmission du polariseur.
Une lumière non polarisée d'intensité I o=16 W/m 2 tombe sur une paire de polariseurs. Le premier polariseur a un axe de transmission aligné à une distance de 50 de la verticale. Le deuxième polariseur a l'axe de transmission aligné à une distance de 20o de la verticale.
Un test de la loi de Malus peut être effectué en calculant l'intensité de la lumière lorsqu'elle émerge du premier polariseur:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
La lumière n'est pas polarisée, donc I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intensité de la lumière du deuxième polariseur:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Suivant la loi de Malus, dont la formulation confirme que lorsque la lumière quitte le premier polariseur, elle est polarisée linéairement à 50o. L'angle entre celui-ci et l'axe de transmission du second polariseur est de 30[deg.]. Donc:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Maintenant, la polarisation linéaire d'un faisceau de lumière d'une intensité de 16 W/m 2 tombe sur la même paire de polariseurs. La direction de polarisation de la lumière incidente est de 20 o par rapport à la verticale.
Intensité de la lumière sortant des premier et deuxième polariseurs. En traversant chaque polariseur, l'intensité diminue d'un facteur 3/4. Après avoir quitté le premier polariseurl'intensité est de 163/4 =12 W/m2 et diminue à 123/4 =9 W/m2 après avoir passé la seconde.
La loi de polarisation malusienne dit que pour faire passer la lumière d'une direction de polarisation à une autre, la perte d'intensité est réduite en utilisant plus de polariseurs.
Supposons que vous deviez faire pivoter la direction de polarisation de 90o.
| N, nombre de polariseurs | Angle entre polariseurs successifs | I 1 / I o |
| 1 | 90 o | 0 |
| 2 | 45 o | 1/2 x 1/2=1/4 |
| 3 | 30 o | 3/4 x 3/4 x 3/4=27/64 |
| N | 90 / N | [cos 2 (90 o / N)] N |
Calcul de l'angle de réflexion de Brewster
Lorsque la lumière frappe une surface, une partie de la lumière est réfléchie et une partie pénètre (réfractée). La quantité relative de cette réflexion et de cette réfraction dépend des substances traversant la lumière, ainsi que de l'angle auquel la lumière frappe la surface. Il existe un angle optimal, selon les substances, qui permet à la lumière de se réfracter (de pénétrer) autant que possible. Cet angle optimal est connu sous le nom d'angle du physicien écossais David Brewster.
Calculer l'angleBrewster pour la lumière blanche polarisée ordinaire est produit par la formule:
theta=arctan (n1 / n2), où theta est l'angle de Brewster, et n1 et n2 sont les indices de réfraction des deux milieux.
Pour calculer le meilleur angle pour une pénétration maximale de la lumière à travers le verre - à partir du tableau des indices de réfraction, nous constatons que l'indice de réfraction de l'air est de 1,00 et que l'indice de réfraction du verre est de 1,50.
L'angle de Brewster serait arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 degrés (environ).
Calcul du meilleur angle d'éclairage pour une pénétration maximale de l'eau. D'après le tableau des indices de réfraction, il s'ensuit que l'indice de l'air est de 1,00 et que l'indice de réfraction de l'eau est de 1,33.
L'angle de Brewster serait arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 degrés (environ).
Utilisation de la lumière polarisée
Un simple profane ne peut même pas imaginer à quel point les polariseurs sont utilisés de manière intensive dans le monde. La polarisation de la lumière de la loi de Malus nous entoure partout. Par exemple, des choses populaires telles que les lunettes de soleil Polaroid, ainsi que l'utilisation de filtres polarisants spéciaux pour les objectifs d'appareil photo. Divers instruments scientifiques utilisent la lumière polarisée émise par des lasers ou par des lampes à incandescence polarisantes et des sources fluorescentes.
Les polariseurs sont parfois utilisés dans l'éclairage de la salle et de la scène pour réduire l'éblouissement et fournir un éclairage plus uniforme et comme lunettes pour donner une impression visible de profondeur aux films 3D. Polariseurs croisés mêmeutilisé dans les combinaisons spatiales pour réduire considérablement la quantité de lumière qui pénètre dans les yeux d'un astronaute pendant son sommeil.
Les secrets de l'optique dans la nature
Pourquoi ciel bleu, coucher de soleil rouge et nuages blancs ? Ces questions sont connues de tous depuis l'enfance. Les lois de Malus et de Brewster expliquent ces effets naturels. Notre ciel est vraiment coloré, grâce au soleil. Sa lumière blanche brillante contient toutes les couleurs de l'arc-en-ciel: rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. Sous certaines conditions, une personne rencontre soit un arc-en-ciel, soit un coucher de soleil, soit une fin de soirée grise. Le ciel est bleu à cause de la "diffusion" de la lumière solaire. La couleur bleue a une longueur d'onde plus courte et plus d'énergie que les autres couleurs.
En conséquence, le bleu est sélectivement absorbé par les molécules d'air, puis relâché dans toutes les directions. Les autres couleurs sont moins dispersées et donc généralement non visibles. Le soleil de midi est jaune après avoir absorbé sa couleur bleue. Au lever ou au coucher du soleil, la lumière du soleil pénètre sous un angle faible et doit traverser une grande épaisseur de l'atmosphère. En conséquence, la couleur bleue est complètement dispersée, de sorte que la majeure partie est complètement absorbée par l'air, perdue et dispersant d'autres couleurs, en particulier les oranges et les rouges, créant un magnifique horizon de couleurs.
Les couleurs de la lumière du soleil sont également responsables de toutes les teintes que nous aimons sur Terre, qu'il s'agisse du vert gazon ou de l'océan turquoise. La surface de chaque objet sélectionne les couleurs spécifiques qu'elle reflétera afin dedistinguez-vous. Les nuages sont souvent d'un blanc éclatant car ils sont d'excellents réflecteurs ou diffuseurs de n'importe quelle couleur. Toutes les couleurs renvoyées sont additionnées au blanc neutre. Certains matériaux reflètent toutes les couleurs de manière uniforme, comme le lait, la craie et le sucre.
L'importance de la sensibilité à la polarisation en astronomie
Pendant longtemps, l'étude de la loi de Malus, l'effet de la polarisation en astronomie a été ignoré. Starlight est presque complètement non polarisé et peut être utilisé comme standard. La présence de lumière polarisée en astronomie peut nous dire comment la lumière a été créée. Dans certaines supernovae, la lumière émise n'est pas non polarisée. Selon la partie de l'étoile observée, une polarisation différente peut être observée.
Cette information sur la polarisation de la lumière provenant de différentes régions de la nébuleuse pourrait donner aux chercheurs des indices sur l'emplacement de l'étoile ombragée.
Dans d'autres cas, la présence de lumière polarisée peut révéler des informations sur toute la partie de la galaxie invisible. Une autre utilisation des mesures sensibles à la polarisation en astronomie est de détecter la présence de champs magnétiques. En étudiant la polarisation circulaire de couleurs très spécifiques de la lumière émanant de la couronne solaire, les scientifiques ont découvert des informations sur la force du champ magnétique à ces endroits.
Microscopie optique
Le microscope à lumière polarisée est conçu pour observer et photographier des spécimens visibles à traversleur caractère optiquement anisotrope. Les matériaux anisotropes ont des propriétés optiques qui changent avec la direction de propagation de la lumière qui les traverse. Pour accomplir cette tâche, le microscope doit être équipé à la fois d'un polariseur placé dans le trajet de la lumière quelque part devant l'échantillon et d'un analyseur (deuxième polariseur) placé dans le trajet optique entre l'ouverture arrière de l'objectif et les tubes de visualisation ou le port de la caméra..
Application de la polarisation en biomédecine
Cette tendance populaire aujourd'hui est basée sur le fait qu'il existe dans notre corps de nombreux composés qui sont optiquement actifs, c'est-à-dire qu'ils peuvent faire pivoter la polarisation de la lumière qui les traverse. Divers composés optiquement actifs peuvent faire pivoter la polarisation de la lumière en différentes quantités et dans différentes directions.
Certains produits chimiques optiquement actifs sont présents à des concentrations plus élevées dans les premiers stades de la maladie oculaire. Les médecins pourraient potentiellement utiliser ces connaissances pour diagnostiquer les maladies oculaires à l'avenir. On peut imaginer que le médecin braque une source de lumière polarisée dans l'œil du patient et mesure la polarisation de la lumière réfléchie par la rétine. Utilisé comme méthode non invasive pour tester les maladies oculaires.
Le cadeau de la modernité - Écran LCD
Si vous regardez attentivement l'écran LCD, vous remarquerez que l'image est un large éventail de carrés colorés disposés dans une grille. En eux, ils trouvèrent application de la loi de Malus,la physique du processus qui a créé les conditions où chaque carré ou pixel a sa propre couleur. Cette couleur est une combinaison de lumière rouge, verte et bleue dans chaque intensité. Ces couleurs primaires peuvent reproduire n'importe quelle couleur que l'œil humain peut voir car nos yeux sont trichromatiques.
En d'autres termes, ils se rapprochent de longueurs d'onde spécifiques de la lumière en analysant l'intensité de chacun des trois canaux de couleur.
Les écrans exploitent cette lacune en n'affichant que trois longueurs d'onde qui ciblent sélectivement chaque type de récepteur. La phase de cristal liquide existe à l'état fondamental, dans lequel les molécules sont orientées en couches, et chaque couche suivante se tord légèrement pour former un motif hélicoïdal.
Écran LCD 7 segments:
- Électrode positive.
- Électrode négative.
- Polariseur 2.
- Affichage.
- Polariseur 1.
- Cristal liquide.
Ici, le LCD est entre deux plaques de verre, qui sont équipées d'électrodes. LCD de composés chimiques transparents avec des "molécules torsadées" appelées cristaux liquides. Le phénomène d'activité optique dans certains produits chimiques est dû à leur capacité à faire tourner le plan de la lumière polarisée.
Films 3D stéréoscopiques
La polarisation permet au cerveau humain de simuler la 3D en analysant les différences entre deux images. Les humains ne peuvent pas voir en 3D, nos yeux ne peuvent voir qu'en 2D. Images. Cependant, notre cerveau peut donner un sens à la distance des objets en analysant les différences dans ce que chaque œil voit. Ce processus est connu sous le nom de Stereopsis.
Parce que notre cerveau ne peut voir que la pseudo-3D, les cinéastes peuvent utiliser ce processus pour créer l'illusion de trois dimensions sans recourir aux hologrammes. Tous les films 3D fonctionnent en fournissant deux photos, une pour chaque œil. Dans les années 1950, la polarisation était devenue la méthode dominante de séparation des images. Les théâtres ont commencé à avoir deux projecteurs fonctionnant simultanément, avec un polariseur linéaire sur chaque lentille.
Pour la génération actuelle de films 3D, la technologie est passée à la polarisation circulaire, qui prend en charge le problème d'orientation. Cette technologie est actuellement fabriquée par RealD et représente 90 % du marché de la 3D. RealD a publié un filtre circulaire qui bascule très rapidement entre la polarisation dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, de sorte qu'un seul projecteur est utilisé au lieu de deux.
