چرا دو پنجره شفاف، روی هم تاریک دیده می‌شوند؟

مشاهده شدت نور خروجی از دو قطبشگر

مقدمه:

 احتمالا تاکنون با قطبشگرهایی که در برخی عینک­‌های معروف به عینک پلاروید یا برخی عینک­‌های سه بعدی به کار می‌رود، سروکار داشته‌اید. هر قطبشگر یک محور عبور دارد و فقط بخشی از نور که میدانش در آن راستا است، از خود عبور می‌دهد، که همان جهت قطبش نور خروجی می‌باشد. در نتیجه نور عبوری از یک قطبشگر، قطبیده خطی است. به عبارت دیگر آن بخش از نور فرودی که بردار میدان الکتریکی آن در راستای محور قطبشگر باشد، از آن عبور کرده و مابقی پرتوها حذف می‌گردند. اگر در مسیر این نور قطبیده، قطبشگر دیگری قرار دهیم، میزان نور عبوری به مقدار انطباق محور قطبشگر دوم با قطبش نور تابیده و یا محور قطبشگر اول بستگی دارد. بنابراین با چرخاندن هر یک از قطبشگرها، شدت نور عبوری تغییر خواهد کرد. در صورتیکه محور دو قطبشگر همراستا باشد، نور فرودی از قطبشگر دوم عبور می‌کند و اگر محورهای دو قطبشگر بر هم عمود باشند، شدت نور عبوری صفر خواهد شد و پنجره تاریک دیده می‌شود، در حالیکه هر یک از آنها شفاف هستند.

برای ایجاد نور قطبیده استفاده از قطبشگر یکی از راه‌ها است. در اطراف ما نورهای قطبیده دیگری وجود دارد که بدون نیاز به قطبشگر در دسترس هستند. مثلا نور تابیده از صفحه نمایشگر LCD  قطبیده است. همچنین نوری که از یک سطح صیقلی در زوایای خاص بازتاب می‌کند، نیز قطبیده است. نور آسمان هم در برخی زوایا قطبیده است که نتیجه پراکندگی نور است. برای اینکه بدانیم کدام نور قطبیده هست یا خیر، ساده‌ترین راه، استفاده از یک قطبشگر و چرخاندن آن در مقابل نور است. اگر تغییری در شدت نور مشاهده شد، نور قطبیده است. البته نور ممکن است نیمه قطبیده یا قطبیده دایره‌ای و یا بیضی باشد که باید جداگانه بررسی شوند. از ویژگی اینکه، شدت نور عبوری از یک قطبشگر، به زاویه محور عبور آن با قطبش نور تابیده شده بستگی دارد، می‌توان در کنترل شدت نور بهره برد.

 

هدف:

 قصد داریم در این آزمایش با استفاده از یک قطبشگر، نور قطبیده ایجاد کرده و آن را به قطبشگر دیگری بتابانیم و میزان عبور نور را با چرخاندن قطبشگر دوم تغییر دهیم. شدت نور عبوری بستگی به جهت قطبشگر دوم نسبت به قطبشگر اول دارد. اهمیت این آزمایش ضمن مشاهده و درک قطبش، آشنایی با یکی از روش­های مهم در کنترل شدت نور است.

 

چه کاری می‌خواهیم انجام دهیم و به چه لوازمی نیاز داریم:

 برای مشاهده تغییرات شدت نور عبوری از دو قطبشگر و رابطه آن با زاویه دو قطبشگر، به اقلام زیر نیاز داریم:

 

برای انجام علمی‌تر آزمایش و افزایش دقت، این روش‌ها به شما کمک می‌کند:

  • آشکارسازی پرتو نور

 

آزمایش:

  • دو قطبشگر را روی پایه نصب کرده و نور غیر قطبیده را به آن بتابانید.

  • با چرخاندن قطبشگر دوم شاهد تغییر شدت نور خروجی خواهید بود. کم و زیاد شدن شدت نور نشان‌دهنده تغییراتی است که محور دو قطبشگر نسبت به هم پیدا می‌کنند و شدت نور خروجی با چرخش یکی از قطبشگرها به اندازه ۱۸۰ درجه به وضع قبلی برمی‌گردد. اگر محور هر دو قطبشگر موازی هم باشدبیشترین شدت نور عبوری را خواهیم داشت و پنجره، نور را عبور می‌دهد و اگر محور دو قطبشگر عمود بر هم باشند کمترین شدت عبوری را خواهیم داشت و تقریبا نوری عبور نخواهد کرد و پنجره تاریک می‌شود.
  • به نور سفید از مسیر دو قطبشگر نگاه کرده و قطبشگر دوم را به قدری بچرخانید که شدت نور خروجی تقریبا صفر شود.

  • در این آزمایش نکته مهم این است که سطح دو قطبشگر باید کاملا موازی و تخت باشند چون هرگونه انحراف در این دو قطبشگر می‌تواند صفر کردن شدت نور خروجی را یا عمود کردن دقیق آن‌ها را با مشکل مواجه کند.

 

آزمایش (پیشرفته تر):

برای ارزیابی کمی‌تر اثر چرخش یکی از قطبشگرها نسبت به دیگری، می‌توانید نور خروجی را برای هر زاویه بین دو محور اندازه بگیرید.

  • بهتر است ابتدا قطبشگرها را به نحوی تنظیم کنید که با نگاه کردن داخل پنجره، نوری خارج نشود.
  • سپس با علامت زدن این زاویه، سعی کنید زاویه یکی از قطبشگرها را نسبت به دیگری به اندازه‌های مساوی تغییر دهید، مثلا در هر نوبت می توانید ۵ یا ۱۰ درجه این قطبشگر را بچرخانید.
  • نور خروجی را به یک آشکارساز یا گیرنده نوری بتابانید و ولتاژ خروجی که با شدت نور تناسب دارد را یادداشت کنید.
  • می‌توانید منحنی تغییرات شدت نور خروجی، نسبت به زاویه را رسم کنید.
  • به چنین منحنی‌ای که آن نوع اطلاعات را برای زوایای مختلف دربر دارد،می‌توان منحنی کالیبراسیون نام داد. بدین معنا که حال با استفاده از این منحنی، می‌توان فهمید که برای دستیابی به هر شدت خروجی باید محور قطبشگر دوم را در چه زاویه ای نسبت به قطبشگر اول تنظیم کرد. این مثالی از یک شیر نوری است که در صنعت کاربرد دارد.

 

کاربرد:

  • استفاده از قطبشگر برای تنظیم شدت نور خروجی و یا به عنوان شیر نوری در صنعت کاربرد دارد. ولی باید دقت کرد نور خروجی قطبیده است.
  • برای کم و زیاد کردن نور می توانید از یک جفت قطبشگر به عنوان پنجره استفاده کنید و حتی با اندازه‌گیری شدت نور می‌توانید دستوری برای تنظیم زاویه بدهید. این نوع کار را کنترل بر اساس فیدبک یا بازخورد می‌گویند و در زمینه‌های مختلف صنعت کاربرد دارد.

 

سؤال، پیشنهاد ونکته:

  • نورهای قطبیده اطرافتان را با چرخاندن یک قطبشگر شناسایی کنید.
  • با توجه به منابع نوری قطبیده در اطرافتان می‌توانید شیر نوری با یک قطبشگر طراحی کنید.
  • دقت کنید برای کنترل شدت نور خروجی نیازی به دانستن محور عبور قطبشگرها نداریم. چرا؟
  • برای تنظیم دقیق و تطبیق محور دو قطبشگر بهتر است اول آنها را عمود بر هم تنظیم کنیم و سپس یکی را ۹۰ درجه بچرخانیم. چرا؟
  • آیا می توانید محور عبور قطبشگر را مشخص کنید؟ برای این کار باید قطبش نور ورودی را دانست و بر آن اساس محور عبور قطبشگر را تعیین کرد. شما ممکن است نوری را ‌بشناسید که قطبیده باشد و محور قطبش آن را بدانید. البته این پرسش ساده نیست و نیاز به اطلاعات پیشرفته‌تری دارد.

 

ایده‌پردازی:

  • شیر نوری بسازید. فکر می‌کنید کجا نیاز به تنظیم شدت نور دارید. متناسب با سلیقه خودتان شیر نوری را بکار ببرید. نور نهایی را که با کنترل شما با این روش ایجاد می‌شود، قطبیده است چون از یک قطبشگر دوم خارج می‌شود. اگر اصرار داشته باشید که این نور غیرقطبیده باشد چطور می‌توانید آن را غیرقطبیده کنید. در چه مواقعی قطبیده یا غیر قطبیده بودن مهم می‌شود؟
  • راستای عبور قطبشگری که در اختیار دارید را بدون ابزار پیچیده بدست آورید.
  • اگر چشم انسان به قطبش نور حساس بود، دنیا چگونه دیده می‌شد؟ می‌توانید در دید جانداران دیگر قطبش را بررسی کنید.
  • در رابطه با علت قطبیده بودن نور بازتابی از سطح دی الکتریک صیقلی تحت زاویه بروستر تحقیق کنید و با یک قطبشگر این تحقیق را با بررسی وضعیت بازتاب از سطوح مختلف تکمیل کنید. بازتاب از سطوح فلزی چگونه است.
  • منحنی تغییرات ضریب بازتاب نور از سطوح مختلف برای دو قطبش خاص بر حسب زاویه تابش را روابط فرنل توصیف می‌کند. برای تابش از محیط رقیق به غلیظ، مثل هوا به شیشه، منحنی تغییرات را رسم کنید. این کار را برای دو قطبش موازی سطح بازتاب و عمود بر آن بررسی کنید. از این منحنی‌ها چه کاربردهایی می‌توانید طرح کنید.

 

آزمایش‌های مرتبط:

 

 بیشتر بدانید:

ارتباط با بخش

از متخصص نور بپرس

در این بخش می توانید سؤالات خود را در رابطه با نور و لیزر بپرسید تا متخصصین به آن‌ها پاسخ دهند

لینک ارتباط مستقیم با