光的偏振

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光的干涉和衍射现象说明了光具有波动性。光的偏振和光学各向异性晶体中的双折射现象进一步证实了光的横波性。振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,它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。 [1] 
中文名
光的偏振
外文名
polarization of light
所属类别
光学
时    间
1808年
学    科
物理
应用领域
数理科学

光的偏振简介

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干涉和衍射是各种波动都具有的现象,无论是纵波还是横波,都会产生干涉和衍射。因此,我们常常根据干涉或衍射是否能发生来鉴别某种物质或某种运动形式是否具有波动性质。但是,由衍射和备茅料干涉的现象无法鉴别某种波动是纵波还是横波。纵波和横波的区别表现在另一类现象上,即偏振现象。
将一根长绳子的一端固定,另一端用手拉紧水平的绳子上下振动,产生横波。波的振动方向和波的传播方向垂直,并且振动方向始终保持在一个平面内。假如我们让绳子穿过一个栅栏,波的传播就会受到栅栏的限制。如果栅栏缝隙的方向与振动方向一致,波能顺利通过栅栏。霸葛如果缝隙方向与振动方向垂直,波就被阻挡而不能继续向前传播。
纵波与此不同。纵波的振动沿着波的传播方向,栅栏或类似的障碍无论在哪一个方向,都不捆寻堡谅会阻止波的传播。
就这方面的性质来看,纵波的振汗府您多动对于波的传播方向是轴对称的,横波的振动对于波的传播方向不是轴对称的。横波的上述特点就是它的偏振性。
光波是电磁波。光波中含有电振动矢量E和磁振动矢量HEH都与传播速度u垂直,因此光波是横波。
实验表明,产生感光作用和生理作用的是光波中的电矢量E,所以讨论光的作用时,只需考虑电矢量E的振动。E叫做光矢量,E的振动叫做光振动。 [2] 

光的偏振分类

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按照偏振特征,光波可分为自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光5种 [3] 
此现象可证明光为横波
1. 线偏振光
在光的传播过程中,只包含一种振动,其振动方向始终保持在
光的偏振 光的偏振
同一平面内,这种光称为线偏振光(或平面偏振光)。你可以通过一个实验想象这是一种什么景象:你把一根绳子的一头拴在邻居院子里妹漏己的树上,另一头拿在你手里。再假定绳子是从篱笆的两根竹子的正当中穿过去的。如果你现在拿绳子上下振动,绳子产生的波就会从两根竹子之间通过,并从你的手传到那棵树上。这时,那座篱笆对你的波来说是"透明的"。但是,要是你让绳子左右波动,绳子就会撞在两根竹子上,波就不会通过篱笆了,这时这座篱笆就相当于一个起偏振器件。
2. 部分偏振光
光波包含一切可能方向的横振动,但不同方向上的振幅不等,在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值,这种光称为部分偏振光。自然光部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。
当光线从空气(严格地说应该是真空)射入介质时,布儒斯特角的正切值等于介质的折射率n。由于介质的折射率是与光波长有关的,对同样的介质,布儒斯特角的大小也是与光波长有关的。以光学玻璃折射率1.4-1.9计算,布儒斯特角大约为54-62度左右。当入射角偏离布儒斯特角时,反射光将是部分偏振光。
3. 椭圆偏振光
在光的传播过程中,空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动,且电矢量端点描出一个椭圆轨迹,这种光称为椭圆偏振光。迎着光线方向看,凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光,凡逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光。椭恋腊仔圆偏振光中的旋转电矢量是由两个频率相同、振动方向互相垂直、有固定相位差的电矢量振动合成的结果(见波片)。
4. 圆偏振光
旋转电矢量端点描出圆轨迹的想挨和光称圆偏振光,是椭圆偏振光的特殊情形。在我们的观察时间段中平均后,圆偏振光看上去是与自然光一样的。但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的,而自然光的偏振方向变化是随机的,没有规律的。

光的偏振发现

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1808年,马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时,他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波,而纵波不可能发生这样的偏振,这一发现成为了反对波动说的有利证据。
1811年,布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。

光的偏振偏振度

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部分偏振光的强度与整个光的强度之比叫做偏振度。
特征:偏振度的数值大于等于0,小于等于1;当偏振度的值愈接近1,表示光线的偏振化程度就愈纯粹,即完全偏振。

光的偏振产生方法

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从自然光获得线偏振光的方法有以下四种:
1. 利用反射和折射。
2. 利用二向色性
3. 利用晶体的双折射。
4. 利用散射。
另外,线偏振光可以经过波晶片产生圆偏振光和椭圆偏振光。

光的偏振应用

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液晶原理 液晶原理
1. 电子表的液晶显示用到了偏振光
两块透振方向相互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,如果上下两极板间没有电压,光的偏振方向会被液晶旋转90度(这种性质叫做液晶的旋光性),于是它能通过第二块偏振片。第二块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。但在上下两个电极间有一定大小的电压时,液晶的性质改变了,旋光性消失,于是光线通不过第二块偏振片,这个电极下的区域变暗,如果电极刻成了数字的笔画的形状,用这种方法就可以显示数字。
偏振镜效果 偏振镜效果
2. 在摄影镜头前加上偏振镜消除反光。
在拍摄表面光滑的物体,如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等,常常会出现耀斑或反光,这是由于光线的偏振而引起的。在拍摄时加用偏振镜,并适当地旋转偏振镜面,能够阻挡这些偏振光,借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。要通过取景器一边观察一边转动镜面,以便观察消除偏振光的效果。当观察到被摄物体的反光消失时,既可以停止转动镜面。
3. 摄影时控制天空亮度,使蓝天变暗。
由于蓝天中存在大量的偏振光,所以用偏振镜能够调节天空的亮度,加用偏振镜以后,蓝天变的很暗,突出了蓝天中的白云。偏振镜是灰色的,所以在黑白和彩色摄影中均可以使用。
4. 使用偏振镜看立体电影
在观看立体电影时,观众要戴上一副特制的眼镜,这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。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。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.观众用上述的偏振眼镜观看,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。
当然,实际放映立体电影是用一个镜头,两套图象交替地印在同一电影胶片上,还需要一套复杂的装置。光在晶体中的传播与偏振现象密切相关,利用偏振现象可了解晶体的光学特性,制造用于测量的光学器件,以及提供诸如岩矿鉴定、光测弹性及激光调制等技术手段。
5. 生物的生理机能与偏振光
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、三支单眼、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。
6. 汽车使用偏振片防止夜晚对面车灯晃眼
远光灯是非常讨厌的,但是利用光的偏振可以解决这个问题。我们可以将汽车灯罩设计成斜方向45°的偏振镜片,这样射出去的光都是有规律的斜向光。汽车驾驶员戴一副夜间眼镜,偏振方向与灯罩偏振方向相同。如此一来,驾驶员只能看到自己汽车射出去的光,而对面汽车射来光的震动方向,正好是与本方向汽车成90°角,那样对面的车灯光线就不会再晃到驾驶员的眼睛。
当然这个设想要实现还是需要很漫长的道路的,首先世界必须制定一个统一的标准,来规定灯罩与眼镜的偏振方向;其次偏振眼镜必然会损失一部分光线,那么驾驶员的视野会受到影响;而且汽车大灯的功率都很大,其一半的能量都被偏振镜片吸收,一定会产生大量的热,对于汽车灯罩的做工,也是一个非常大的考验。
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参考资料
  • 1.    陈颖,韩颖,朱奇光,徐伟编著;张颖审,工程光学,国防工业出版社,2016.06,第218页
  • 2.    汤毓骏编著,创新基础物理,东华大学出版社,2015.05,第373页
  • 3.    崔宏滨,吴强编者,光学解题方法与典型例题 物理专业,中国科学技术大学出版社,2016.01,第353页