偏振光的产生与基本及创新应用

71偏振光的产生与基本及创新应用摘要：光的偏振现象进一步证实了光波是横波。我们用偏振片通过自然光获取偏振光，通过各种不同的偏振片，来获得线性偏振光、椭圆偏振光和圆偏振等。产生各种偏振光，从而对偏振光有更深入的了解。更好地在生活中得到应用，并且在已有的偏振片的应用中创新地发现其他的可以应用的领域。关键词：偏振光；偏振光产生；偏振光创新应用引言光的偏振是一个简单的物理现象，在生活中也有一些应用。发现偏振光的创新型应用能更好地利用简单的物理现象对人们的生活提供最大的便捷与帮助，也对提高学以致用的能力有很好的锻炼效果。目录1.偏振光产生原理1.1光的偏振性................................................11.2偏振光的类别..............................................21.3偏振光的产生..............................................32.偏振光基本应用介绍2.1在3D电影技术的应用..................................52.2在汽车车灯上的应用....................................62.3在生物的生理机能上的应用.........................63.偏振光创新应用发明3.1可调温度的窗户.............................................63.2多功能建筑顶棚..............................................73.3在智能楼宇中的应用.....................................73.4监测瓦斯浓度..................................................74.参考文献...................................................................8正文1.偏振光产生原理1.1光的偏振性波动分为两种：波的振动方向和传播方向相同的称为纵波；波的振东放行和传播方向相互垂直的波称为横波。在纵波的情况下，波的振动状态对传播方向具有对称性。对横波来说，在某一瞬间通过博得传播方向且包含振动矢量的那个平面显然和其他不包含振动矢量的任何平面有区别，这通常称为波的振动方向对传播方向没有对称性，波的振动方向对于传播方向不对称性叫做偏振，他是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。我们知道光波是电磁波，因此光波的传播方向就是电磁波的传播方向，光波中的电矢量E和磁矢量H都与传播方向v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。在光和物质相互作用72的过程中，主要起作用的是光波中的电矢量E，所以在讨论光的作用时，只需考虑电矢量E的振动。E称为光矢量，E的振动称为光振动。光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的平面内还可能有各种不同的振动状态。1.2偏振光的类别1.部分偏振光经常遇到的光，除了自然光和线偏振光外，一种偏振状态介于两者之间的光。如果用检偏器去检验这种光的时候，随着检偏器透光方向的转动，透射光的强度既不象自然光那样不变，又不象线偏振光那样每转90o交替出现强度极大和消光，其强度每转90o也交替出现极大和极小，但强度的极小不是0（即不消光）。具有这种特点的光，叫做部分偏振光。通常用偏振度P来衡量部分偏振光程度的大小，它定义为P=（I极大-I极小）/（I极大+I极小）这里分母I极大+I极小实际是两个相互垂直分量的强度之和，即部分偏振光。线偏振光是偏振度最大的光。2.线偏振光透过偏振片的光线中只剩下了与其透光方向平行的振动。这种只包含单一振动方向光叫做线偏振光。线偏振光中振动方向与传播方向构成的平面，叫做偏振面。偏振片用来产生线偏振光，我们叫它起偏器。偏振片用来检验线偏振光，叫做检偏器。I=I0Cos2θθ为偏振面夹角线偏振光通过检偏器后透射光强度随θ角变化的规律，叫做马吕斯定律。3.圆偏振光如果一束光的电矢量在波面内运动的特点是其瞬时值的大小不变，方向以角速度ω（即波的圆频率）匀速旋转，换句话说，电矢量的端点描绘的轨道为一圆，这种光叫做圆偏振光。垂直振动的合成理论告诉我们，两个相互垂直的简谐振动，当它们的振幅相等，位相差±π/2时，其合成运动是一个旋转矢量，所以圆偏振光可看成是两个相互垂直的线偏振光的合成，而分量应写成Ex=AcosωtEy=Acos(ωt±π/2)如果迎着圆偏振光的传播方向放一偏振片，并旋转其透光方向以观察透射光强的变化，我们会发现光强不发生变化。4.椭圆偏振光73电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光，称为椭圆偏振光。椭圆运动也可看成是两个相互垂直的简谐振动的合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于±π/2。而分量可写成Ex=AcosωtEy=Acos(ωt±δ)δ为位相差如果迎着椭圆偏振光的传播方向放一偏振片，并旋转其透光方向以观察透射光强的变化，我们会发现其光强变化特点类似部分偏振光，即强度每转90o也交替出现极大和极小，但无消光位置。1.3偏振光的产生1.直线偏振光的产生A.利用晶体的双折射原理：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74动比较强。如图(2)，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。如下图(3)，当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。752.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2.偏振光基本应用介绍2.1在3D电影技术的应用随着电影的发展，越来越多的电影生产者选择用吸引大众的3D形式来制作电影，由此就产生了3D电影。立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片。在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上，如图-5所示。这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器。从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变。观众戴上透振方向互相垂直的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看那样产生立体感觉。这就是立体电影的原理。762.2在汽车车灯上的应用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已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，可以保证安全行车。还有在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。因为这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。这样的话我们只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。2.3在生物的生理机能上的应用人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支复眼、两支复眼，每个复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。3.偏振光创新应用发明3.1可调温度的窗户根据偏振片的这一特性，我们是否可以将偏振片应用到楼宇中的窗户上，通过他来改变光的强度，从而调整室内的温度，这样夏天我们再也不用使用空调么来降温了，只需要通过调节两片偏振片的相对位置就能实现这一目的。77当然在窗户的设计方面可能不能再按我们现行的方式设计，而最好是变成圆形状的。这样就能像我们平时使用的熏香剂的设计一样通过旋转就能改变光的强度，在夏天可以使他们的近乎90°或者270°，使尽量少的光进入室内；而在冬天则可以达到光强最大处，使屋内温度达到最高，方便又实用，而且无污染，天然。在偏振片上我们还可以镀上一定的滤光膜，这样我们讨厌的一些光线就可以滤掉，留下好的、有用的光供我们利用。3.2多功能建筑顶棚我们知道，传统的顶棚都是混凝土结构的，这种顶棚除了档雨和挡阳光以外没有其他作用。而今后我们的追求方向却是希望在满足基本作用的情况下能够最大限度的实现美感与观赏价值。在这里我们可以利用光的偏振原理设计出具有滤光，室内灭菌，隔热，观赏等功能于一身的多功能建筑顶棚。3.3在智能楼宇中的应用用一些便宜和无污染的材料使用到房屋里面，利用它来改变房屋的建设来达到一些人们所需的要求，最终实现房屋的智能化、人性化。自然光在两种介质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为偏振光。根据马吕斯定律我们知道，只要偏振光经过偏振片就能产生不同强度和类型的偏振光，根据我们的需要，只要旋转两块偏振片，就能得到我们所要的光强。3.4监测瓦斯浓度科学技术的进步与相关仪器的联系是非常密切的，不同的实验需要不同的仪器来协助完成，而不同的仪器有不同的制作原理，同时需要不同的方法进行操作。而对测气体折射率则可用迈克耳逊干涉仪。因为迈克耳逊干涉仪可以用来测定气体在各种温度和压强下的折射率。煤矿中瓦斯爆炸危害极