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偏振光的產(chǎn)生與應用班學號:張壯壯摘要:本文通過介紹幾種產(chǎn)生偏振光的方法和技術(shù)及其原理的分析、偏振光的應用,讓讀者們對偏振光的產(chǎn)生和應用有個初步的了解。關(guān)鍵詞:偏振光、產(chǎn)生、原理、應用、尼科爾棱鏡、雙折射、布儒斯特定律、折射起偏、二向色性、波片、偏振片、光彈性學、光學活性物質(zhì)、旋光度。引言:近些年來,光學的應用范圍急劇擴大,其中偏振光,首先在物理學領(lǐng)域,其次在化學與工程學領(lǐng)域中,作為主要的測量手段起到了重要的作用。長期以來以結(jié)構(gòu)的應力分析為中心的光彈性學一直應用于實際。生活中偏振光的應用也不勝枚舉,如可有效避免交通事故的裝有偏振片的汽車車燈和前窗玻璃、液晶顯示器、測定糖度的糖度計甚至我們觀看的3D電影都和偏振光的應用密切相關(guān)。正文:一、偏振光的產(chǎn)生:直線偏振光的產(chǎn)生利用晶體的雙折射--尼科爾棱鏡原理:一束入射光進入各向異性的媒質(zhì)后,分裂成沿不同方向折射的兩束光,稱為雙折射。其中一束遵守折射定律,成為尋常光,簡稱o光,另一束不遵守折射定律,成為非尋常光,簡稱e光。o光和e光都是線偏振光。尼科爾棱鏡結(jié)構(gòu)如下圖(1),其中AN垂直于AC,AN段為折射率介于方解石的no和ne的透明加拿大樹膠,自然光沿平行于棱邊AM方向入射到第一塊棱鏡端面上,這時入射角為22度,進入棱鏡后分為尋常光o光和非常光e光,o光以76度入射到加拿大樹膠上,因入射角超過臨界角度,所以發(fā)生全反射,而e光射到樹膠上不發(fā)生全反射,從棱鏡的另一端射出。圖(1)圖(1)利用反射的布儒斯特定律—玻璃片堆獲取線偏振光自然光射到兩種媒質(zhì)的分界面上,要發(fā)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動比較強,在折射光中,平行于入射面的光振動比較強。如圖(2),當入射角iB滿足taniB=n2/n1時,反射光中,平行于入射面的光振動消失,反射光成為振動方向垂直于入射面的線偏振光,而折射光仍為部分偏振光,此即為布儒斯特定律。如下圖(3),當自然光以布儒斯特角入射,通過玻璃片堆時,由于各個界面上的反射光都是光振動垂直于入射面的線偏振光,所以,每經(jīng)過一次反射,折射光中垂直入射面的光振動就減弱一次,折射光的偏振化程度就高一些。當玻璃足夠多,投射出的折射光就接近光振動方向平行于入射面的線偏振光,稱為折射起偏。圖(3)圖(2)圖(3)圖(2)借助偏振片—利用物質(zhì)的二向色性物質(zhì)的有選擇地吸收光波中兩個垂直分量之一的性質(zhì)叫做二向色性。可以使天然光變成偏振光的光學元件叫偏振片。其中一種的制定方法是將具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇高分子化合物薄膜作為片基,把它浸入碘液中,再經(jīng)過硼酸水溶液還原穩(wěn)定后,再把它定向拉伸4-5倍,使大分子定向排列。即經(jīng)拉伸后,使高分子材料由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變成線狀結(jié)構(gòu),碘分子則整齊地被吸附在該薄膜上形成細長碘鏈,只允許垂直于分子排列方向的光振動通過,即具有二向色性,從而可使自然光變成線偏振光。2.橢圓偏振光和圓偏振光的產(chǎn)生平面偏振光垂直入射波片,如果光軸平行于波片的表面會產(chǎn)生比較特殊的雙折射現(xiàn)象。這時,非常光e和尋常光o的傳播方向是一致的,但速度不同,因而從波片出射時會產(chǎn)生相位差Δψ=(2*π/λ)*(no-ne)*d.式中λ表示單色光在真空中的波長,no和ne分別為晶體中o光和e光的折射率,d為波片厚度。如果波片的厚度使產(chǎn)生的相位差Δψ=±(2*k+1)*π/2,這樣的波片稱為1/4波片。線偏振光通過1/4波片后,透射光一般是橢圓偏振光;當α=π/4時,o光和e光的振幅相等,出射光為圓偏振光。由此可知,1/4波片可將平面偏振光變成橢圓偏振光或圓偏振光二、偏振光的應用:1.汽車車燈汽車夜間在公路上行駛與對面的車輛相遇時,為了避免雙方車燈的眩目,司機都關(guān)閉大燈,只開小燈,放慢車速,以免發(fā)生車禍。如駕駛室的前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片,而且規(guī)定它們的偏振化方向都沿同一方向并與水平面成45度角,那么,司機從前窗只能看到自己的車燈發(fā)出的光,而看不到對面車燈的光,這樣,汽車在夜間行駛時,即不要熄燈,也不要減速,可以保證安全行車。2.觀看立體電影在拍攝立體電影時,用兩個攝影機,兩個攝影機的鏡頭相當于人的兩只眼睛,它們同時分別拍下同一物體的兩個畫像,放映時把兩個畫像同時映在銀幕上。如果設(shè)法使觀眾的一只眼睛只能看到其中一個畫面,就可以使觀眾得到立體感。為此,在放映時,兩個放像機每個放像機鏡頭上放一個偏振片,兩個偏振片的偏振化方向相互垂直,觀眾戴上用偏振片做成的眼鏡,左眼偏振片的偏振化方向與左面放像機上的偏振化方向相同,右眼偏振片的偏振化方向與右面放像機上的偏振化方向相同,這樣,銀幕上的兩個畫面分別通過兩只眼睛觀察,在人的腦海中就形成立體化的影像了。3.液晶顯示器如圖-4所示為電子手表等的液晶顯示器,兩塊透振方向互相垂直的偏振片當中插進一個液晶盒,盒內(nèi)液晶層的上下是透明的電極板,它們刻成了數(shù)字筆畫的形狀。外界的自然光通過第一塊偏振片后,成了偏振光,這束光在通過液晶時,如果上下兩液晶片間沒有電壓,由于液晶的旋光性,光的偏振方向會被液晶旋轉(zhuǎn)90°,于是它能通過第二個偏振片。第二個偏振片的下面是反射鏡,光線被反射回來,這時液晶盒看起來是透明的。但如果在上下兩個電極間有一定大小的電壓時,液晶的性質(zhì)就改變了,旋光性消失,于是光線不能通過第二個偏振片,這個電極下的區(qū)域就變暗,于是就顯示出了數(shù)字。4.光測彈力學在玻璃或高分子等透明均質(zhì)材料上施加外力時,材料具有暫時雙折射性質(zhì),這種雙折射的大小與外力成正比,故應力大處與線偏振光的兩條折射光的光程差對應的相位差變化大,對于下圖(5)所示觀察應力雙折射的裝置(其后有透鏡及光屏),對應位置的條紋也更加細密,如圖(6),由條紋分布,可分析應力分布情況。這種利用應力雙折射研究應力分布的方法發(fā)展而來的學科就是光測彈性學。它在實際中有廣泛的應用。例如,為了設(shè)計一個機械工件、橋梁或水壩,可用透明塑料板模擬他們的形狀,并根據(jù)實際工作狀況按比例地施加應力,然后把它放在兩偏振片之間顯示其中的應力分布情況,這樣在制造時可以針對干涉條紋較密的部位采取加固措施。又如在礦井中為了預報可能的冒頂事故,可在坑道的壁上嵌入一塊玻璃鏡,前面放一偏振片,使入射光和反射光都能通過它,因而這一塊偏振片就起著光測彈性儀中兩塊偏振片的作用。在冒頂事故將發(fā)生前,玻璃鏡中的應力必然變大,我們將從干涉條紋中及時看到,從而采取必要的預防措施。我國還在地震預報上應用了光測彈力學。圖圖(5)圖(6圖(6)5.糖度計分子結(jié)構(gòu)中凡有不對稱碳原子,能把偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)一定角度的物質(zhì)叫做光學活性物質(zhì)。光學活性物質(zhì)溶液將偏振光偏振面旋轉(zhuǎn)的角度叫做此溶液的旋光度。一定條件下,某溶液的旋光度與其濃度成正比。由此可制成糖度計。測量時,開始先不放入裝有旋光性物質(zhì)的旋光測定管,轉(zhuǎn)動檢偏器使其與起偏器振動方向互相垂直,則偏振光不通過檢偏器,視野全黑。此時讀數(shù)度盤指示為零,即為儀器的零點。隨后放入裝有旋光性物質(zhì)的旋光測定管,再旋轉(zhuǎn)檢偏器,使目鏡視野再次呈現(xiàn)全黑。則此時檢偏器在讀數(shù)度盤上旋轉(zhuǎn)過的角度,即為旋光性物質(zhì)對偏振光的旋光度,可由讀數(shù)度盤直接讀出。參考文獻:【1】芶秉聰、胡海

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