畢業(yè)論文《偏振光的產生及其應用》

PAGEPAGE1摘要：隨著偏振光技術的發(fā)展，其在生活中的應用也越來越廣泛，該文通過對偏振光的分析，全面地介紹了偏振光的分類、產生方法及應用。在偏振光產生的介紹中，分別介紹了線偏振光、橢圓偏振光、徑向偏振光的產生方法，并利用電場矢量進行了具體分析。最后介紹了偏振光在生活和研究中的應用。關鍵字：光學；偏振光；雙折射；應用；布儒斯特棱鏡；振動TheProductionandtheApplicationofPolarizedLightZHUZhao-yi,GUOLi-shuai(ElectricalEngineeringCollege,LongdongUniversity,Qingyang74500,Gansu)Abstract:Withthedevelopmentofthepolarizedlight’stechnology,itisusedinthefieldmoreandmorewidely.Basedontheanalysisofthepolarizedlightandcomprehensivelyintroducestheclassification,thegenerationmethodsandapplicationofpolarizedlight.Inthepolarizedlightgeneratedintroduction,thispaperintroduceslinearlypolarizedlight,ellipsepolarizedlight,radialpolarizedlightgeneratedmethods,anduseselectricfieldvectorcarryigontheconcreteanalysis.Atlast,thepaperintroducesthepolarizedlighttheapplicationinlifeandstudying.KeyWords:optics;polarizedlight;thedoublerefraction;application;brewsterprism;vibration1引言光是一定波段范圍的電磁波，是由于傳播方向垂直的電場和磁場交替轉換的振動形成的。我們的眼睛能夠看到的稱為可見光，只是電磁波中的一段很小的波長范圍，即400nm到700nm左右。近些年來，光學的應用范圍急劇擴大，其中偏振光，在物理學領域，化學和工程學領域中，都作為主要的測量手段起到了重要的作用。偏振光應用的重要性在不斷的提高，但直到目前，偏振光的理論知識尚不夠普及。實驗和應用的發(fā)展，要求在理論的基礎上不斷改進實驗方法，提高測量精度。2偏振光的定義及分類2.1偏振光的定義在一般光源中包含著各個方向的光矢量，在所有可能的方向上的振幅都相等(軸對稱)，這樣的光叫自然光[1]。偏振光是指光矢量的振動方向不變或具有某種規(guī)則地變化的光波。偏振光是光矢量不均勻分布造成的。我們把這種振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做偏振。2.2偏振光的分類偏振光主要分為均勻偏振光和費均勻偏振光兩部分。均勻偏振光：根據(jù)光波電矢量的端點在波面內描繪的軌跡的形狀，來對偏振光的種類進行劃分，大致可以把偏振光分為：線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光這幾種，而線偏振光和圓偏振光都可以看作是橢圓偏振光的特殊情形。非均勻偏振光：非均勻偏振光的偏振態(tài)較為復雜，如徑向偏振光，是電矢量振動方向在光束橫截面上具有軸對稱性,始終沿著徑向的一種偏振光[2]。其電場數(shù)學表達式為(2-1)其中為徑向單位矢量。3偏振光的產生3.1將自然光轉化為偏振光的方法研究偏振光的應用之前，首先要了解它的產生，通常將自然光轉化為偏振光可以用以下幾種方法。3.1.1利用偏振片的二向色性將自然光轉化為偏振光 通常而言，這種方法是最簡單的方法。所謂二向色性，就是指某些物質能吸收某一方向的光振動，而只讓與這個方向垂直的光振動通過。利用偏振片獲得偏振光的方法就是利用了偏振片的二向色性[3]。3.1.2利用反射、折射原理產生偏振光用一塊玻璃將光線以一定入射角射入玻璃，光線會被折射和反射，這樣就可以獲得反射偏振光和折射偏振光。其中反射光為部分偏振光，形成偏振光的特點是：垂直于入射面的振動大于平行于入射面的振動。折射光也為部分偏振光，特點是：平行于入射面的光大于垂直于入射面的光。3.1.3利用晶體雙折射產生偏振光 這是通過晶體特性以及雙折射的原理產生偏振光的方法。就以方解石晶體為例，當光束通過晶體時會發(fā)生雙折射現(xiàn)象，產生尋常光和非尋常光。其中尋常光是符合折射定律的光線，非尋常光則不符合折射定律。通過實驗證明，尋常光線和非常光線都是偏振光。3.2其它方法因為在科學研究中和日常生活中仍然有許多其它方法可以產生偏振光。在此，具體針對橢圓偏振光和徑向偏振光的產生方法做出具體分析。3.2.1橢圓偏振光的產生橢圓偏振光是兩列頻率相同,振動方向互相垂直,且沿同一方向傳播的線偏振光的合成。其電矢量的端點在波面內描繪的軌跡為一橢圓。要獲得一般的橢圓偏振光,只需令自然光連續(xù)通過一個起偏器和一個波芯片。起偏器將自然光變?yōu)榫€偏振光,波芯片將線偏振光分解尋常光和非常光,由于它們在晶體內的傳播速度不同,產生了一定的位相差,射出芯片之后,尋常光和非常光合成在一起便得到橢圓偏振光。把射出芯片的兩個分量寫成：(3-1)(3-2)由(3-1)式有(3-3)(3-4)由(3-1和3-2)式可得：(3-5)可知，這是一個橢圓方程,所以運用這種合成的方法可以得到橢圓偏振光，并且在更特殊的情況下可以得到圓偏振光。3.2.2徑向偏振光的產生（1）利用C切釩酸釔晶體產生徑向偏振光利用高雙折射C切釩酸釔晶體產生徑向偏振光的方法如下。由He-Ne激光器出射的線偏振光經(jīng)過光闌、起偏器（主軸方向為0°）和四分之一波片（主軸方向為45°）轉換成圓形圓偏振光束,再經(jīng)過擴束器擴成光斑直徑為14mm的平行光束。該平行光束經(jīng)一個透鏡（焦距為30mm）會聚并入射到一塊直徑為25mm、長度為34mm圓柱形C切釩酸釔晶體內。由于晶體的各向異性性質,光束經(jīng)過晶體后將形成兩個聚焦焦點。再把一個位置可以三維調整的針孔（直徑為50微米）分別放在兩個焦點處,光束經(jīng)過透鏡的準直,可以得到兩種不同類型的軸對稱偏振光。檢偏器、成像透鏡和相機組成的系統(tǒng)用于定性測量生成的偏振光[4]。C切釩酸釔晶體對普通偏振光的轉換原理如下。經(jīng)過透鏡聚焦后的光束入射到晶體內發(fā)生雙折射,由于主平面和主截面重合,則o光和e光均位于主截面所在的圓柱截面上,不同的圓柱截面上o光和e光分別關于圓柱中心軸對稱。根據(jù)塞米爾方程計算得到在632.8nm波長下,o光和e光的折射率分別是1.9929和2.2063,則在晶體后形成的焦點中離晶體較近的是o光焦點,離晶體較遠的是e光焦點。o光的偏振矢量垂直于主平面,e光的偏振矢量平行于主平面,則當針孔分別置于A,B點時將e光或o光濾掉,再經(jīng)過透鏡準直后可以得到角向偏振或徑向偏振的平行光束。若入射到晶體內的光為圓偏振光,在晶體各縱向截面上分解得到o,e光振幅均為總振幅的,則出射的角向偏振光和徑向偏振光光束內能量分布均勻。（2）圓錐形布儒斯特棱鏡產生徑向偏振光UichiKozawa和ShunichiSato設計了布儒斯特光學組件，用來實現(xiàn)可靠的更高穩(wěn)定性的徑向偏振光[5]。布儒斯特光學組件由凸棱鏡及凹棱鏡組成,它可從Nd:YAG激光諧振腔內直接產生徑向偏振光束。為傳輸激光,此光學組件構成的凸棱鏡和凹棱鏡的頂角的設計滿足布儒斯特條件。凸棱鏡的側面涂上了多層電介質層(SiO2和Ta2O5)以提高偏振選擇性。當此棱鏡用于Nd:YAG激光諧振腔內,產生了TEM01(R-TEM01)模式偏振光。他們通過實驗觀察到了這個簡單布儒斯特棱鏡產生的徑向偏振光。4偏振光的應用4.1偏振光在生活中的應用4.1.1在攝影鏡頭前加上偏振鏡消除反光在攝影時，表面光滑的物體容易反光，如玻璃器皿、水面、窗戶、塑料表面等，常常會出現(xiàn)反光或耀斑，這是由于光線的偏振而引起的。在拍攝的時候加用偏振鏡，并適當?shù)匦D偏振鏡面，能夠阻擋這些偏振光，借以消除或減弱這些光滑物體表面的反光或亮斑。要通過取景器一邊觀察一邊轉動鏡面，以便觀察消除偏振光的效果。當觀察到被攝物體的反光消失時，既可以停止轉動鏡面[6]。攝影時控制天空亮度，使天空變暗也是用到這一原理。由于藍天中存在大量的偏振光，所以用偏振鏡能夠調節(jié)天空的亮度，加用偏振鏡以后，藍天變的很暗，突出了藍天中的白云。4.1.2使用偏振鏡看立體電影在觀看立體電影時,觀眾們都要戴上一副特制的眼鏡,這副眼鏡的鏡片就是一對透振方向互相垂直的偏振片。立體電影在拍攝的時候就是像人用眼睛看東西一樣從兩個不同方向同時拍攝下景物的像,制成電影膠片。在放映時,通過兩個放映機,把用兩個攝影機拍下的兩組膠片同步放映,使這略有差別的兩幅圖像重疊在同一銀幕上。這時如果用眼睛直接觀看,看到的畫面是模糊不清的,要能看到立體電影,就要在每架電影機前裝一塊偏振片,它的作用相當起偏器。從兩架放映機射出的光,通過偏振片后,就成了偏振光。左右兩架放映機前的偏振片的偏振化方向互相垂直,因而產生的兩束偏振光的偏振方向也是互相垂直的。這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處,偏振光方向不改變。觀眾用上述的偏振眼鏡觀看,每只眼睛只看到相應的偏振光圖象,即左眼只能看到左機映出的畫面,右眼只能看到右機映出的畫面,這樣就會像直接觀看那樣產生立體感覺。這就是立體電影的原理。同立體電影的眼鏡類似。偏振光眼鏡也是如此，人們釣魚是準備的釣具中常有它。指釣者在釣魚時用于觀察水面、浮漂時，可消除浮漂、水面反光的特種眼鏡。該鏡還可防止陽光刺眼。其鏡片顏色有茶色、灰色和墨綠色。其原理是在光波中有自然光和偏振光兩種。自然光的電磁波是向四面八方振動的，即所謂出現(xiàn)光線的濫反射。這樣，釣者用肉眼和普通太陽鏡觀察水面上的浮原時會出現(xiàn)倒影，加上水面波紋閃動反光，很難看清浮漂。而偏振鏡片中間的膠膜內含有無數(shù)細小的桿狀晶體，均朝一個方向順序均勻地排列，故通過偏振眼鏡后的光線只能朝一個方向振動。4.1.3液晶顯示“扭曲向列型液晶顯示器”簡稱“tn型液晶顯示器”。向列型液晶夾在兩片玻璃中間。這種玻璃的表面上先鍍有一層透明而導電的薄膜以作電極之用。這種薄膜通常是一種銦和錫的氧化物，簡稱ito。然后再在有ito的玻璃上鍍表面配向劑，以使液晶順著一個特定且平行于玻璃表面之方向排列。利用電場可使液晶旋轉的原理，在兩電極上加上電壓則會使得液晶偏振化方向轉向與電場方向平行。因為液態(tài)晶的折射率隨液晶的方向而改變，其結果是光經(jīng)過tn型液晶盒以后其偏振性會發(fā)生變化。我們可以選擇適當?shù)暮穸仁构獾钠窕较騽偤酶淖儭Ｄ敲矗覀兙涂衫脙蓚€平行偏振片使得光完全不能通過。若外加足夠大的電壓V使得液晶方向轉成與電場方向平行，光的偏振性就不會改變。因此光可順利通過第二個偏光器。于是，我們可利用電的開關達到控制光的明暗。這樣會形成透光時為白、不透光時為黑，字符就可以顯示在屏幕上了。4.1.4生物的生理機能與偏振光與人的眼睛對光的偏振狀態(tài)是不能分辨不同的是某些昆蟲的眼睛對偏振卻很敏感。比如有些昆蟲擁有復眼，這種復眼可以分辨天空中的偏振光，然后根據(jù)太陽的偏光確定太陽的方位，再以太陽為定向標來判斷方向[7]。在沙漠中，如果不帶羅盤，人是會迷路的，但是沙漠中有一種螞蟻，它能利用天空中的紫外偏光導航，因而不會迷路。4.1.5濾光技術可見光的波長大約在390nm到770nm之間的區(qū)域內。我們在利用數(shù)字放映機放映畫面時，數(shù)字放映機通過數(shù)字方式還原以紅綠藍三個顏色為基色的彩色圖像。安裝在放映機內的、快速轉動的濾光輪，將紅綠藍各自分為高（H）、低（L）波長兩部分，各包含左、右眼圖像內容。通過分色濾光眼鏡，讓觀眾感受到左右眼各自的彩色畫面，產生立體效果。由于濾光技術要對圖像光譜進行分割，對色彩還原產生一定的影響，所以采用這種方式時，要在服務器上增加色彩管理軟件，對圖像數(shù)據(jù)進行校正處理。4.1.6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已的車燈發(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。另外，在陽光充足的白天駕駛汽車，從路面或周圍建筑物的玻璃上反射過來的耀眼的陽光，常會使眼睛睜不開。由于光是橫波，所以這些強烈的來自上空的散射光基本上是水平方向振動的。因此，只需帶一副只能透射豎直方向偏振光的偏振太陽鏡便可擋住部分散射光。4.2偏振光在研究中的應用在光學顯微鏡的光學系統(tǒng)中插入了起偏振鏡和檢偏振器，用以檢查樣品的各向異性和雙折射性的顯微鏡[8]。起偏振鏡和檢偏振器都是由偏光棱鏡或偏光板的尼科耳棱鏡制成。前者安裝在光源與樣品之間，后者安裝在接物鏡與接目鏡之間或接目鏡之上。在生物樣品中，肌肉纖維、骨骼和牙齒等具有各向異性，淀粉粒、染色體和紡錘體等具有雙折射性，因此被用于組織細胞的化學研究。光源最好用單波長光線。由于生物樣品比金屬、巖石或結晶的雙折射性顯著微弱，所以有時也借敏感的檢偏振板造成的相加相減現(xiàn)象而利用其干涉色。偏振光顯微鏡通常用來檢測生物體內某些有序結構、鏡體的存在及其折射光學性質，同時也可用來檢測某些組織中的化學成分。4.3偏振光在醫(yī)學中的應用偏振光對人體具有光電作用、光熱作用、光磁作用、光化學作用、光免疫作用及光酶作用等，照射人體后可產生相應的光點反映、光累積效應等，以達到治療相應的病癥及消除疼痛的目的。例如：直線偏振光治療儀，選取60nm～1600nm（醫(yī)學上稱為人體透射窗口）特定波長的光譜，有效透射深度達50mm以上，透過偏振光的光學特性產生光針刺激和強烈的溫熱效應。該治療儀取激光之單向傳導性及透射性強的優(yōu)點，比激光波長的單一性及溫熱性差、治療功率抵之缺陷；避紅外線散射性及吸收性差、穿透性差等缺陷，取近紅外復合波長帶熱效應及穿透性好的優(yōu)點，從而臨床上取得了非常顯著的療效。4.4偏振光在建筑學中的應用用一些便宜和無污染的材料使用到房屋里面，利用它來改變房屋的建設來達到一些人們所需的要求，最終實現(xiàn)房屋的智能化、人性化。自然光在兩種介質的分界面上反射和折射時，反射光和折射光都將成為偏振光。根據(jù)馬呂斯定律我們知道，只要偏振光經(jīng)過偏振片就能產生不同強度和類型的偏振光，根據(jù)我們的需要，只要旋轉兩塊偏振片，就能得到我們所要的光強。4.4.1可調溫度的窗戶根據(jù)偏振片的這一特性，我們是否可以將偏振片應用到樓宇中的窗戶上，通過他來改變光的強度，從而調整室內的溫度，這樣夏天我們再也不用使用空調么來降溫了，只需要通過調節(jié)兩片偏振片的相對位置就能實現(xiàn)這一目的。當然在窗戶的設計方面可能不能再按我們現(xiàn)行的方式設計，而最好是變成圓形狀的。這樣就能像我們平時使用的熏香劑的設計一樣通過旋轉就能改變光的強度，在夏天可以使他們的近乎90°或者270°，使盡量少的光進入室內；而在冬天則可以達到光強最大處，使屋內溫度達到最高，方便又實用，而且無污染，天然。在偏振片上我們還可以鍍上一定的濾光膜，這樣我們討厭的一些光線就可以濾掉，留下好的、有用的光供我們利用。4.4.2多功能建筑頂棚我們知道，傳統(tǒng)的頂棚都是混凝土結構的，這種頂棚除了檔雨和擋陽光以外沒有其它作用。而今后我們的追求方向卻是希望在滿足基本作用的情況下能夠最大限度的實現(xiàn)美感與觀賞價值。在這里我們可以利用光的偏振原理設計出具有濾光，室內滅菌，隔熱，觀賞等功能于一身的多功能建筑頂棚。除此之外偏振光還可以應用在生活中的更多方面，例如：激光的諧振腔、偏振光分離法測試光信噪比、振光干涉的應用——白光測速儀、非金屬夾雜物的鑒定等等。5結束語除過以上舉出的幾種偏振光的應用例子。還有許多利用偏振光的測量儀器或信息傳遞手段。另外，利用偏振光的基礎研究也很活躍。比如，通過高分子材料內的偏振光狀態(tài)變化，研究高分子的大小及配位狀態(tài)，或根據(jù)偏振光的反射，分析物體表面吸附分子狀態(tài)（橢圓對稱）等類似的物理和化學的研究，已有很多報道。由此可見，偏振光的應用已經(jīng)被普及到生活各處，也必將更有發(fā)展。參考文獻；[1]姚啟鈞.光學教程.北京:高等教育出版社,2008.78～96[2]沈君.偏振光的研究.實驗技術,2003,13(6):125～132[3]孫幕淵,陳志遠.談橢圓偏