Es difícil señalar quién fue el primero en descubrir la luz polarizada. Los antiguos podían notar un lugar peculiar al mirar el cielo en ciertas direcciones. La polarización tiene muchas peculiaridades, se manifiesta en diferentes áreas de la vida, y hoy en día es objeto de investigación y aplicación masiva, la razón de todo es la ley de Malus.
Descubrimiento de la luz polarizada
Los vikingos pueden haber usado la polarización del cielo para navegar. Incluso si no lo hicieron, definitivamente encontraron Islandia y la maravillosa piedra de calcita. El espato islandés (calcita) era conocido incluso en su época, son los habitantes de Islandia a los que debe su nombre. El mineral se usó una vez en la navegación debido a sus propiedades ópticas únicas. Desempeñó un papel importante en el descubrimiento moderno de la polarización y sigue siendo el material elegido para separar los componentes de polarización de la luz.
En 1669, el matemático danés de la Universidad de Copenhague, Erasmus Bartholinus, no solo vio una luz doble, sino que también llevó a cabo algunos experimentos, escribiendo una memoria de 60 páginas. Este esfue la primera descripción científica del efecto de polarización, y el autor puede ser considerado el descubridor de esta asombrosa propiedad de la luz.
Christian Huygens desarrolló la teoría de la onda pulsada de la luz, que publicó en 1690 en su famoso libro Traite de la Lumiere. Al mismo tiempo, Isaac Newton avanzó la teoría corpuscular de la luz en su libro Óptica (1704). Al final, ambos tenían razón y estaban equivocados, ya que la luz tiene una naturaleza dual (onda y partícula). Sin embargo, Huygens estaba más cerca de la comprensión moderna del proceso.
En 1801, Thomas Young realizó el famoso experimento de interferencia de doble rendija. Probó que la luz se comporta como ondas, y la superposición de ondas puede conducir a la oscuridad (interferencia destructiva). Usó su teoría para explicar cosas como los anillos de Newton y los arcos iris sobrenaturales. Un gran avance en la ciencia se produjo unos años más tarde cuando Jung demostró que la polarización se debe a la naturaleza de onda transversal de la luz.
El joven Etienne Louis Malus vivió en una era turbulenta, durante la Revolución Francesa y el reinado del terror. Participó con el ejército de Napoleón en la invasión de Egipto, así como de Palestina y Siria, donde contrajo la peste que lo mató pocos años después. Pero logró hacer una importante contribución a la comprensión de la polarización. La ley de Malus, que predecía la intensidad de la luz transmitida a través de un polarizador, se ha convertido en una de las más populares del siglo XXI a la hora de crear pantallas de cristal líquido.
Sir David Brewster, renombrado escritor científico, estudió temas de física óptica como el dicroísmo y los espectrosabsorción, así como temas más populares como la fotografía estéreo. Es conocida la célebre frase de Brewster: "Todo es transparente excepto el vidrio".
También hizo una valiosa contribución al estudio de la luz:
- La ley que describe el "ángulo de polarización".
- Invención del caleidoscopio.
Brewster repitió los experimentos de Malus con muchas gemas y otros materiales, descubrió una anomalía en el vidrio y descubrió la ley: el "ángulo de Brewster". Según él, “…cuando el haz está polarizado, el haz reflejado forma un ángulo recto con el haz refractado”.
Ley de polarización de Malus
Antes de hablar de polarización, primero debemos recordar acerca de la luz. La luz es una onda, aunque a veces es una partícula. Pero en cualquier caso, la polarización tiene sentido si pensamos en la luz como una onda, como una línea, que viaja desde la lámpara hasta los ojos. La mayor parte de la luz es una mezcla de ondas de luz que vibran en todas las direcciones. Esta dirección de oscilación se llama polarización de la luz. El polarizador es el dispositivo que limpia este desastre. Acepta cualquier cosa que mezcle la luz y solo deja pasar la luz que oscila en una dirección particular.
La formulación de la Ley de Malus es: cuando una luz polarizada completamente plana cae sobre el analizador, la intensidad de la luz transmitida por el analizador es directamente proporcional al cuadrado del coseno del ángulo entre los ejes de transmisión del analizador y el polarizador.
Una onda electromagnética transversal contiene un campo eléctrico y otro magnético, y el campo eléctrico en una onda de luz es perpendicular a la dirección de propagación de la onda de luz. La dirección de la vibración de la luz es el vector eléctrico E.
Para un haz ordinario no polarizado, el vector eléctrico sigue cambiando su dirección al azar cuando la luz pasa a través de una polaroid, la luz resultante es plana polarizada con su vector eléctrico vibrando en una dirección determinada. La dirección del vector del haz emergente depende de la orientación de la polaroid, y el plano de polarización está diseñado como un plano que contiene el vector E y el haz de luz.
La siguiente figura muestra una luz polarizada plana debido al vector vertical EI y al vector horizontal EII.
La luz no polarizada pasa a través de una Polaroid P 1 y luego a través de una Polaroid P 2, formando un ángulo θ con y ax-s. Después de que la luz que se propaga a lo largo de la dirección x pasa a través de la Polaroid P 1, el vector eléctrico asociado con la luz polarizada solo vibrará a lo largo del eje y.
Ahora, si permitimos que este rayo polarizado pase a través del P 2 polarizado nuevamente, formando un ángulo θ con el eje y, entonces si E 0 es la amplitud del campo eléctrico incidente en P 2, entonces la amplitud de la onda que sale de P 2, será igual a E 0 cosθ y, por tanto, la intensidad del haz que emerge será según la Ley de Malus (fórmula) I=I 0 cos 2 θ
donde I 0 es la intensidad del haz que emerge de P 2 cuando θ=0θ es el ángulo entre los planos de transmisión del analizador y el polarizador.
Ejemplo de cálculo de intensidad de luz
Ley de Malus: I 1=I o cos 2 (q);
donde q es el ángulo entre la dirección de polarización de la luz y el eje de transmisión del polarizador.
Luz no polarizada con intensidad I o=16 W/m 2 cae sobre un par de polarizadores. El primer polarizador tiene un eje de transmisión alineado a una distancia de 50º de la vertical. El segundo polarizador tiene el eje de transmisión alineado a una distancia de 20o de la vertical.
Se puede realizar una prueba de la Ley de Malus calculando la intensidad de la luz cuando emerge del primer polarizador:
4 W/m 2
16 porque 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
La luz no está polarizada, por lo que I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intensidad de la luz del segundo polarizador:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Seguido por la Ley de Malus, cuya formulación confirma que cuando la luz sale del primer polarizador, se polariza linealmente a 50o. El ángulo entre éste y el eje de transmisión del segundo polarizador es de 30º. Por lo tanto:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Ahora la polarización lineal de un haz de luz con una intensidad de 16 W/m 2 cae sobre el mismo par de polarizadores. La dirección de polarización de la luz incidente es de 20° con respecto a la vertical.
Intensidad de la luz que sale del primer y segundo polarizador. Al pasar por cada polarizador, la intensidad disminuye en un factor de 3/4. Después de dejar el primer polarizadorla intensidad es de 163/4 =12 W/m2 y disminuye a 123/4 =9 W/m2 después de pasar el segundo.
La ley de polarización de Malusian dice que para cambiar la luz de una dirección de polarización a otra, la pérdida de intensidad se reduce usando más polarizadores.
Suponga que necesita rotar la dirección de polarización 90o.
| N, número de polarizadores | Ángulo entre polarizadores sucesivos | Yo 1 / Yo 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 | [porque 2 (90 o / N)] N |
Cálculo del ángulo de reflexión de Brewster
Cuando la luz golpea una superficie, parte de la luz se refleja y parte penetra (refractada). La cantidad relativa de esta reflexión y refracción depende de las sustancias que pasan a través de la luz, así como del ángulo en el que la luz golpea la superficie. Existe un ángulo óptimo, dependiendo de las sustancias, que permite que la luz se refracte (penetra) tanto como sea posible. Este ángulo óptimo se conoce como el ángulo del físico escocés David Brewster.
Calcular el ánguloBrewster para luz blanca polarizada ordinaria se produce mediante la fórmula:
theta=arctan (n1 / n2), donde theta es el ángulo de Brewster, y n1 y n2 son los índices de refracción de los dos medios.
Para calcular el mejor ángulo para la máxima penetración de la luz a través del vidrio: en la tabla del índice de refracción encontramos que el índice de refracción del aire es 1,00 y el índice de refracción del vidrio es 1,50.
El ángulo de Brewster sería arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 grados (aproximadamente).
Cálculo del mejor ángulo de luz para una máxima penetración del agua. De la tabla de índices de refracción se deduce que el índice del aire es 1,00 y el índice de refracción del agua es 1,33.
El ángulo de Brewster sería arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 grados (aproximadamente).
Uso de luz polarizada
Un simple profano ni siquiera puede imaginar la intensidad con la que se utilizan los polarizadores en el mundo. La polarización de la luz de la ley de Malus nos envuelve por todas partes. Por ejemplo, cosas tan populares como las gafas de sol Polaroid, así como el uso de filtros polarizadores especiales para lentes de cámara. Varios instrumentos científicos utilizan luz polarizada emitida por láseres o por lámparas incandescentes polarizadoras y fuentes fluorescentes.
Los polarizadores se utilizan a veces en la iluminación de salas y escenarios para reducir el deslumbramiento y proporcionar una iluminación más uniforme y como lentes para dar una sensación visible de profundidad a las películas en 3D. Polarizadores cruzados inclusose utiliza en trajes espaciales para reducir drásticamente la cantidad de luz que entra en los ojos de un astronauta mientras duerme.
Secretos de la óptica en la naturaleza
¿Por qué cielo azul, atardecer rojo y nubes blancas? Estas preguntas son conocidas por todos desde la infancia. Las leyes de Malus y Brewster brindan explicaciones para estos efectos naturales. Nuestro cielo es realmente colorido, gracias al sol. Su brillante luz blanca tiene incrustados en su interior todos los colores del arcoíris: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. Bajo ciertas condiciones, una persona se encuentra con un arco iris, una puesta de sol o una tarde gris. El cielo es azul debido a la "dispersión" de la luz solar. El color azul tiene una longitud de onda más corta y más energía que otros colores.
Como resultado, el azul es absorbido selectivamente por las moléculas de aire y luego liberado nuevamente en todas las direcciones. Otros colores están menos dispersos y, por lo tanto, generalmente no son visibles. El sol del mediodía es amarillo después de absorber su color azul. Al amanecer o al atardecer, la luz del sol entra en un ángulo bajo y debe atravesar una gran capa de la atmósfera. Como resultado, el color azul se dispersa por completo, de modo que la mayor parte es completamente absorbida por el aire, se pierde y dispersa otros colores, especialmente naranjas y rojos, creando un horizonte de color glorioso.
Los colores de la luz del sol también son responsables de todos los tonos que amamos en la Tierra, ya sea el verde hierba o el océano turquesa. La superficie de cada objeto selecciona los colores específicos que reflejará paradistinguirte. Las nubes suelen ser de un blanco brillante porque son excelentes reflectoras o difusoras de cualquier color. Todos los colores devueltos se suman al blanco neutro. Algunos materiales reflejan todos los colores de manera uniforme, como la leche, la tiza y el azúcar.
La importancia de la sensibilidad a la polarización en astronomía
Durante mucho tiempo, se ignoró el estudio de la ley de Malus, el efecto de la polarización en la astronomía. Starlight está casi completamente despolarizado y se puede utilizar como estándar. La presencia de luz polarizada en astronomía puede decirnos cómo se creó la luz. En algunas supernovas, la luz emitida no está polarizada. Dependiendo de la parte de la estrella que se mire, se puede ver una polarización diferente.
Esta información sobre la polarización de la luz de diferentes regiones de la nebulosa podría dar a los investigadores pistas sobre la ubicación de la estrella sombreada.
En otros casos, la presencia de luz polarizada puede revelar información sobre toda la parte de la galaxia invisible. Otro uso de las mediciones sensibles a la polarización en astronomía es detectar la presencia de campos magnéticos. Al estudiar la polarización circular de colores de luz muy específicos que emanan de la corona del sol, los científicos han descubierto información sobre la fuerza del campo magnético en estos lugares.
Microscopía óptica
El microscopio de luz polarizada está diseñado para observar y fotografiar especímenes que son visibles a travéssu naturaleza ópticamente anisotrópica. Los materiales anisotrópicos tienen propiedades ópticas que cambian con la dirección de propagación de la luz que pasa a través de ellos. Para realizar esta tarea, el microscopio debe estar equipado con un polarizador colocado en el camino de la luz en algún lugar frente a la muestra y un analizador (segundo polarizador) colocado en el camino óptico entre la apertura trasera del objetivo y los tubos de visualización o el puerto de la cámara..
Aplicación de la polarización en biomedicina
Esta tendencia popular hoy en día se basa en el hecho de que en nuestro cuerpo hay muchos compuestos que son ópticamente activos, es decir, pueden rotar la polarización de la luz que pasa a través de ellos. Varios compuestos ópticamente activos pueden rotar la polarización de la luz en diferentes cantidades y en diferentes direcciones.
Algunos químicos ópticamente activos están presentes en concentraciones más altas en las primeras etapas de la enfermedad ocular. Los médicos podrían potencialmente utilizar este conocimiento para diagnosticar enfermedades oculares en el futuro. Uno puede imaginarse que el médico ilumina el ojo del paciente con una fuente de luz polarizada y mide la polarización de la luz reflejada en la retina. Se utiliza como método no invasivo para evaluar enfermedades oculares.
El regalo de la modernidad - Pantalla LCD
Si observa detenidamente la pantalla LCD, notará que la imagen es una gran variedad de cuadrados de colores dispuestos en una cuadrícula. En ellos encontraron aplicación de la ley de Malus,la física del proceso que creó las condiciones cuando cada cuadrado o píxel tiene su propio color. Este color es una combinación de luz roja, verde y azul en cada intensidad. Estos colores primarios pueden reproducir cualquier color que el ojo humano pueda ver porque nuestros ojos son tricromáticos.
En otras palabras, se aproximan a longitudes de onda de luz específicas analizando la intensidad de cada uno de los tres canales de color.
Las pantallas aprovechan esta deficiencia al mostrar solo tres longitudes de onda que se dirigen selectivamente a cada tipo de receptor. La fase de cristal líquido existe en el estado fundamental, en el que las moléculas están orientadas en capas, y cada capa subsiguiente se retuerce ligeramente para formar un patrón helicoidal.
Pantalla LCD de 7 segmentos:
- Electrodo positivo.
- Electrodo negativo.
- Polarizador 2.
- Pantalla.
- Polarizador 1.
- Cristal líquido.
Aquí la pantalla LCD está entre dos placas de vidrio, que están equipadas con electrodos. Pantallas LCD de compuestos químicos transparentes con "moléculas retorcidas" llamadas cristales líquidos. El fenómeno de la actividad óptica en algunas sustancias químicas se debe a su capacidad para rotar el plano de la luz polarizada.
Películas 3D de estereopsis
La polarización permite que el cerebro humano finja 3D analizando las diferencias entre dos imágenes. Los humanos no pueden ver en 3D, nuestros ojos solo pueden ver en 2D. Imágenes. Sin embargo, nuestros cerebros pueden dar sentido a qué tan lejos están los objetos al analizar las diferencias en lo que ve cada ojo. Este proceso se conoce como estereopsis.
Debido a que nuestros cerebros solo pueden ver pseudo-3D, los cineastas pueden usar este proceso para crear la ilusión de tres dimensiones sin recurrir a hologramas. Todas las películas en 3D funcionan entregando dos fotos, una para cada ojo. En la década de 1950, la polarización se había convertido en el método dominante de separación de imágenes. Los teatros comenzaron a tener dos proyectores funcionando simultáneamente, con un polarizador lineal sobre cada lente.
Para la generación actual de películas en 3D, la tecnología ha cambiado a la polarización circular, que soluciona el problema de la orientación. Esta tecnología es fabricada actualmente por RealD y representa el 90% del mercado 3D. RealD lanzó un filtro circular que cambia entre la polarización en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj muy rápidamente, por lo que solo se usa un proyector en lugar de dos.
