物理小論文--偏振光的產(chǎn)生與應(yīng)用

1、偏振光的產(chǎn)生與應(yīng)用04121104 班學(xué)號(hào)：1120111087 張壯壯摘要：本文通過(guò)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(yīng)用，讓讀者們對(duì)偏振光的產(chǎn)生和應(yīng)用有個(gè)初步的 了解。關(guān)鍵詞：偏振光、產(chǎn)生、原理、應(yīng)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(xué)、 光學(xué)活性物質(zhì)、旋光度。引言：近些年來(lái)，光學(xué)的應(yīng)用范圍急劇擴(kuò)大，其中偏振光，首先 在物理學(xué)領(lǐng)域，其次在化學(xué)與工程學(xué)領(lǐng)域中，作為主要的測(cè)量手 段起到了重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)以結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析為中心的光彈 性學(xué)一直應(yīng)用于實(shí)際。生活中偏振光的應(yīng)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

2、和前窗玻璃、液晶顯示 器、測(cè)定糖度的糖度計(jì)甚至我們觀看的3d電影都和偏振光的應(yīng) 用密切相關(guān)。正文：一、偏振光的產(chǎn)生：1. 直線偏振光的產(chǎn)生a.利用晶體的雙折射-尼科爾棱鏡原理：一朿入射光進(jìn)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(jiǎn)稱0光，另一束不遵守折射定律，成為非尋常光，簡(jiǎn)稱e光。 o光和e光都是線偏振光。尼科爾棱鏡結(jié)構(gòu)如卜圖，其中an垂 直于ac,an段為折射率介于方解石的n。和ne的透明加拿大樹(shù)膠, 口然光沿平行于棱邊am方向入射到第一塊棱鏡端面上，這時(shí)入 射角為22度，進(jìn)入棱鏡后分為尋常光o光和非常光e光，。光 以76度入射到

3、加拿大樹(shù)膠上，因入射角超過(guò)臨界角度，所以發(fā) 生全反射，而e光射到樹(shù)膠上不發(fā)生全反射，從棱鏡的另一端射 出。am0 光co光 nb.利用反射的布儒斯特定律一玻璃片堆獲取線偏振光 自然光射到兩種媒質(zhì)的分界而上，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(dòng)比較強(qiáng)，在折射光中，平行于入射面的光振動(dòng)比 較強(qiáng)。如圖,當(dāng)入射角ip滿足tanib=n2/r)i時(shí)，反射光中,平 行于入射面的光振動(dòng)消失，反射光成為振動(dòng)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(dāng)自然光以布儒斯特角入射，通過(guò)玻璃片堆吋，由于各個(gè)界面上的反射光都是

4、光振動(dòng)垂直于入射面的 線偏振光，所以，每經(jīng)過(guò)一次反射，折射光中垂直入射面的 光振動(dòng)就減弱一次，折射光的偏振化程度就高一些。當(dāng)玻璃 足夠多，投射出的折射光就接近光振動(dòng)方向平行于入射面的 線偏振光，稱為折射起偏。c.借助偏振片一利用物質(zhì)的向色性物質(zhì)的有選擇地吸收光波屮兩個(gè)垂直分量z的性質(zhì)叫做 二向色性?？梢允固烊还庾兂善窆獾墓鈱W(xué)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(guò)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(xì)長(zhǎng)碘鏈，

5、只允許垂直于分子排列方向的光振動(dòng)通過(guò), 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(huì)產(chǎn) 生比較特殊的雙折射現(xiàn)象。這時(shí)，非常光e和尋常光。的傳播 方向是一致的，但速度不同，因而從波片出射時(shí)會(huì)產(chǎn)生相位差 yr=(2* ji/x )*(n0-ne)*d.式中入表示單色光在真空中的波長(zhǎng)，n。 和氓分別為晶體中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 w = ± (2*k+l) *n/2,這樣的波片 稱為1/4波片。線偏振光通過(guò)1/4波片后，透射光一般是橢圓偏 振光；當(dāng)a=n/4nt，o光和e

6、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(yīng)用：1汽車車燈汽車夜間在公路上行駛與對(duì)面的車輛相遇時(shí)，為了避免雙方 車燈的眩目，司機(jī)都關(guān)閉大燈，只開(kāi)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而成45度角，那 么，司機(jī)從前窗只能看到自己的車燈發(fā)出的光，而看不到對(duì)面車 燈的光，這樣，汽車在夜間行駛時(shí)，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(shí)，用兩個(gè)攝影機(jī)，兩個(gè)攝影機(jī)的鏡頭相當(dāng) 于人的兩只眼睛，它們同時(shí)分別拍下同一物體的兩

7、個(gè)畫(huà)像，放映 時(shí)把兩個(gè)畫(huà)像同時(shí)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(gè)畫(huà)面，就可以使觀眾得到立體感。為此，在放映時(shí)， 兩個(gè)放像機(jī)每個(gè)放像機(jī)鏡頭上放一個(gè)偏振片，兩個(gè)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(jī)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(jī)上的偏振化方向相同，這樣，銀幕上的兩 個(gè)畫(huà)面分別通過(guò)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(dāng)中插進(jìn)一個(gè)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(huà)的形狀。外界的口然

8、光通過(guò)第一塊 偏振片后，成了偏振光，這束光在通過(guò)液晶時(shí)，如果上下兩液晶 片間沒(méi)有電壓，由于液晶的旋光性，光的偏振方向會(huì)被液晶旋轉(zhuǎn) 90° ,于是它能通過(guò)第二個(gè)偏振片。第二個(gè)偏振片的下面是反射 鏡，光線被反射回來(lái)，這時(shí)液晶盒看起來(lái)是透明的。但如果在上 下兩個(gè)電極間有一定大小的電壓時(shí)，液晶的性質(zhì)就改變了，旋光 性消失，于是光線不能通過(guò)第二個(gè)偏振片，這個(gè)電極下的區(qū)域就 變暗，于是就顯示出了數(shù)字。4光測(cè)彈力學(xué)在玻璃或高分子等透明均質(zhì)材料上施加外力時(shí)，材料具有暫時(shí) 雙折射性質(zhì)，這種雙折射的大小與外力成正比，故應(yīng)力大處與線 偏振光的兩條折射光的光程差對(duì)應(yīng)的相位差變化大，對(duì)于下圖 所示觀察應(yīng)力雙折

9、射的裝置(其后有透鏡及光屏)，對(duì)應(yīng)位置的條 紋也更加細(xì)密，如圖(6),由條紋分布，可分析應(yīng)力分布情況。這 種利用應(yīng)力雙折射研究應(yīng)力分布的方法發(fā)展而來(lái)的學(xué)科就是曲 測(cè)彈性學(xué)。它在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用。例如，為了設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)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(shí) 際工作狀況按比例地施加應(yīng)力，然后把它放在兩偏振片之間顯示 其屮的應(yīng)力分布情況，這樣在制造時(shí)可以針對(duì)干涉條紋較密的部 位采取加固措施。又如在礦井中為了預(yù)報(bào)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(guò)它，因而這一塊偏振片就起著光測(cè)彈性儀中兩塊偏振 片的作用。在冒頂事故將發(fā)生前，玻

10、璃鏡中的應(yīng)力必然變大，我 們將從干涉條紋中及吋看到，從而采取必要的預(yù)防措施。我國(guó)還 在地震預(yù)報(bào)上應(yīng)用了光測(cè)彈力學(xué)。圖5糖度計(jì)分子結(jié)構(gòu)中凡有不對(duì)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(xué)活性物質(zhì)。光學(xué)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 光度與其濃度成止比。由此可制成糖度計(jì)。測(cè)量時(shí)，開(kāi)始先不放 入裝有旋光性物質(zhì)的旋光測(cè)定管，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器使其與起偏器振動(dòng) 方向互相垂直，則偏振光不通過(guò)檢偏器，視野全黑。此吋讀數(shù)度 盤指示為零，即為儀器的零點(diǎn)。隨后放入裝有旋光性物質(zhì)的旋光 測(cè)定管，再旋轉(zhuǎn)檢偏器，使目鏡視野再次呈現(xiàn)全黑。則此時(shí)檢偏 器在讀數(shù)度盤上旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度，即為旋光性物質(zhì)對(duì)偏振光的旋光 度，可由讀數(shù)度盤直接讀出。參考