偏振光的产生与应用

偏振光的产生与应用电信1402曾壮摘要：本文通过介绍几种产生偏振光的方法和技术及其原理的分析、偏振光的应用，让读者们对偏振光的产生和应用有个初步的了解。关键词：偏振光、产生、原理、应用、尼科尔棱镜、双折射、布儒斯特定律、折射起偏、二向色性、波片、偏振片、光弹性学、光学活性物质、旋光度。引言：近些年来，光学的应用范围急剧扩大，其中偏振光，首先在物理学领域，其次在化学与工程学领域中，作为主要的测量手段起到了重要的作用。长期以来以结构的应力分析为中心的光弹性学一直应用于实际。生活中偏振光的应用也不胜枚举，如可有效避免交通事故的装有偏振片的汽车车灯和前窗玻璃、液晶显示器、测定糖度的糖度计甚至我们观看的3D电影都和偏振光的应用密切相关。正文：一、偏振光的产生：1.直线偏振光的产生A．利用晶体的双折射--尼科尔棱镜原理：一束入射光进入各向异性的媒质后，分裂成沿不同方向折射的两束光，称为双折射。其中一束遵守折射定律，成为寻常光，简称o光，另一束不遵守折射定律，成为非寻常光，简称e光。o光和e光都是线偏振光。尼科尔棱镜结构如下图(1),其中AN垂直于AC,AN段为折射率介于方解石的no和ne的透明加拿大树胶，自然光沿平行于棱边AM方向入射到第一块棱镜端面上，这时入射角为22度，进入棱镜后分为寻常光o光和非常光e光，o光以76度入射到加拿大树胶上，因入射角超过临界角度，所以发生全反射，而e光射到树胶上不发生全反射，从棱镜的另一端射出。B．利用反射的布儒斯特定律—玻璃片堆获取线偏振光自然光射到两种媒质的分界面上，要发生反射和折射，反射光和折射光都是部分偏振光，在反射光中，垂直于入射面的光振动比较强，在折射光中，平行于入射面的光振动比较强。当入射角iB满足taniB=n2/n1时，反射光中，平行于入射面的光振动消失，反射光成为振动方向垂直于入射面的线偏振光，而折射光仍为部分偏振光，此即为布儒斯特定律。自然光以布儒斯特角入射，通过玻璃片堆时，由于各个界面上的反射光都是光振动垂直于入射面的线偏振光，所以，每经过一次反射，折射光中垂直入射面的光振动就减弱一次，折射光的偏振化程度就高一些。当玻璃足够多，投射出的折射光就接近光振动方向平行于入射面的线偏振光，称为折射起偏。C．借助偏振片—利用物质的二向色性物质的有选择地吸收光波中两个垂直分量之一的性质叫做二向色性。可以使天然光变成偏振光的光学元件叫偏振片。其中一种的制定方法是将具有网状结构的聚乙烯醇高分子化合物薄膜作为片基，把它浸入碘液中，再经过硼酸水溶液还原稳定后，再把它定向拉伸4-5倍，使大分子定向排列。即经拉伸后，使高分子材料由网状结构变成线状结构，碘分子则整齐地被吸附在该薄膜上形成细长碘链，只允许垂直于分子排列方向的光振动通过，即具有二向色性，从而可使自然光变成线偏振光。2.椭圆偏振光和圆偏振光的产生平面偏振光垂直入射波片，如果光轴平行于波片的表面会产生比较特殊的双折射现象。这时，非常光e和寻常光o的传播方向是一致的，但速度不同，因而从波片出射时会产生相位差Δψ=(2*π/λ)*(no-ne)*d.式中λ表示单色光在真空中的波长，no和ne分别为晶体中o光和e光的折射率，d为波片厚度。如果波片的厚度使产生的相位差Δψ=±（2*k+1）*π/2，这样的波片称为1/4波片。线偏振光通过1/4波片后，透射光一般是椭圆偏振光；当α=π/4时，o光和e光的振幅相等，出射光为圆偏振光。由此可知，1/4波片可将平面偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光二、偏振光的应用：1.汽车车灯汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自己的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。2.观看立体电影在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放像机每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。3.液晶显示器如图-4所示为电子手表等的液晶显示器，两块透振方向互相垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，盒内液晶层的上下是透明的电极板，它们刻成了数字笔画的形状。外界的自然光通过第一块偏振片后，成了偏振光，这束光在通过液晶时，如果上下两液晶片间没有电压，由于液晶的旋光性，光的偏振方向会被液晶旋转90°，于是它能通过第二个偏振片。第二个偏振片的下面是反射镜，光线被反射回来，这时液晶盒看起来是透明的。但如果在上下两个电极间有一定大小的电压时，液晶的性质就改变了，旋光性消失，于是光线不能通过第二个偏振片，这个电极下的区域就变暗，于是就显示出了数字。4.光测弹力学在玻璃或高分子等透明均质材料上施加外力时，材料具有暂时双折射性质，这种双折射的大小与外力成正比，故应力大处与线偏振光的两条折射光的光程差对应的相位差变化大，对于下图(5)所示观察应力双折射的装置(其后有透镜及光屏)，对应位置的条纹也更加细密，如图(6)，由条纹分布，可分析应力分布情况。这种利用应力双折射研究应力分布的方法发展而来的学科就是光测弹性学。它在实际中有广泛的应用。例如，为了设计一个机械工件、桥梁或水坝，可用透明塑料板模拟他们的形状，并根据实际工作状况按比例地施加应力，然后把它放在两偏振片之间显示其中的应力分布情况，这样在制造时可以针对干涉条纹较密的部位采取加固措施。又如在矿井中为了预报可能的冒顶事故，可在坑道的壁上嵌入一块玻璃镜，前面放一偏振片，使入射光和反射光都能通过它，因而这一块偏振片就起着光测弹性仪中两块偏振片的作用。在冒顶事故将发生前，玻璃镜中的应力必然变大，我们将从干涉条纹中及时看到，从而采取必要的预防措施。我国还在地震预报上应用了光测弹力学。5.糖度计分子结构中凡有不对称碳原子，能把偏振光的偏振面旋转一定角度的物质叫做光学活性物质。光学活性物质溶液将偏振光偏振面旋转的角度叫做此溶液的旋光度。一定条件下，某溶液的旋光度与其浓度成正比。由此可制成糖度计。测量时，开始先不放入装有旋光性物质的旋光测定管，转动检偏器使其与起偏器振动方向互相垂直，则偏振光不通过检偏器，视野全黑。此时读数度盘指示为零，即为仪器的零点。随后放入装有旋光性物质的旋光测定管，再旋转检偏器，使目镜视野再次呈现全黑。则此时检偏器在读数度盘上旋转过的角度，即为旋光性物质对偏振光的旋光度，可由读数度盘直接读出。参考文献：【1】芶秉聪、胡海云。《大学物理》.北京：国防工业出版社，2012。255~261.【2】袁国才.《光学选讲》.北京：高等教育出版社，1991。285.【3】孙雁华、张家琨.《光学》.杭州：杭州大学出版社，1991。283~284.【4】新谷隆一、范爱英、康昌鹤.《偏振光》。北京：原子能出版社。1994。8~11；95~98.