显色偏振试验论文-北京科技大学.doc

1、显色偏振实验论文你对偏振光了解多少呢？你听说过偏振光变色吗？你又对它们的应用了解多少呢？它的应用在我们日常生活中无处不在， 在科技领域更是大显身手。 就连一些动物也少不了用偏振光来辨别方向。很有意思吧，你想不想了解的更详细呢？我们已经知道，光波是横波，即光振动方向垂直于光的传播方向但在垂直于光传播方向的平面内， 光振动还可能有多种可能的取向，或说电场强度（与磁感应强度）在这样的平面内还可以在方向和大小上作多种可能的变化光在传播中会表现出与光的横向振动状态有关的特性 反映光的这种特性的现象称为光的偏振现象这是横波所特有的现象，纵波就没有偏振现象。早在 17 世纪人们就观察到光的某些偏振现象，例如

2、方解石晶体的双折射现象，然而当时光的波动理论尚未完善建立，也就不知道这种现象意味着光波是横波，直到 T杨和 AJ菲涅耳发展完善了光的波动理论，并提出光波是横波； JC麦克斯韦发展了电磁理论，肯定了光是电磁波，人们才对光的偏振现象有了深入的了解实验装置十分简单，最下面是一个自然光，上面有两个偏振片，分别是偏振片1 和偏振片 2 中间是一排厚度不等的泼片。当转动偏振片2 时，可以看到不同厚度的偏振片显不同的颜色， 且颜色随偏振片转动而变化成互补的颜色，转动一周颜色变化四次。并伴随有明暗的变化。转动一周有两次明两次暗的变化。（装置简略图见图5）1.偏振光实验中的基本知识：正如光的干涉和衍射现象揭示了

3、光的波动性，光的偏振现象则表明了光及所有电磁波是横波。 光振动的方向特性，即光的偏振性。根据光矢量对传播方向的不对称情形，光可分为线偏振光、自然光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。在自然状态下发光体中的大量分子原子先后间歇发光时，光振动在垂直于光传播方向的平面内不论是振动的方向或是振幅的大小都是随机变化的，各方向有相同的概率，没有哪个方向占有优势， 这样的光波称为自然光或非偏振光 作为一种示意图， 自然光的光振动可以用图 1 表示在自然光中，各个方向的光振动之间没有固定的相位关系我们研究光的偏振性质时，常在垂直于光传播方向的平面内把光振动分解为两个相互垂直方向的分振动对于自然光， 在任意取定

4、的两个相互垂直的方向上分解出的两个分振动都有相同的振幅，但无固定的相位关系。如图2图1图2- 1 -图 3光波的光振动满足确定规律的光，称为偏振光。 当一束光中只有一个固定方向的光振动时，称为线偏振光或平面偏振光，如图 3 所示。包含光振动方向与光传播方向的平面称为振动面 除线偏振光外， 还有圆偏振光和椭圆偏振光。它们都可以看作是两个振动面相互垂直的、有一定相位差的线偏振光的叠加。将自然光转换成偏振光的过程称为起偏。光传播中发生的某些过程可以产生起偏的作用，根据这些过程的原理制成的光学器件可以人工实现起偏。这样的光学器件称为起偏器常用的一种能产生线偏振光的器件称为偏振片它是用只允许某个方向的光

5、振动通过的高分子薄膜胶合在特制的无应力平玻璃片之间制成的这层高分子薄膜是经过拉伸并碘化的聚乙烯醇薄膜， 使其中碳氢化合物分子沿拉伸方向成为含碘的长链当光照射到偏振片上时，与分子长链方向平行的光振动分量被吸收，与链垂直的光振动分量可以透过偏振片的这个与分子链垂直的方向称为偏振化方向 当自然光垂直入射到偏振片上时， 透射光为光振动沿偏振化方向的线偏振光， 当以光的传播方向为轴旋转偏振片时， 透射光的光振动方向随之旋转且光强不变一般情况下，人的眼睛不能辨认透射光是自然光还是偏振光要检验透射光是不是线偏振光，可以在偏振片P1 的透射光路中再放入一块偏振片P2。以光的传播方向为轴，将偏振片P2 旋转一周

6、，可观察到透过P2 的光强有两次明两次暗的变化偏振片P2 称为检偏器当P2 与 P1 的偏振化方向相互平行时，透过P2 的光强最大；当 P2 与 P1 的偏振化方向相互垂直时，透过P2 的光强为零。这表明透过P1 的光是线偏振光用 E0 和 I 0 表示线偏振光（例如透过P1 的光）的振幅及光强当P2 的偏振化方向与线偏振光的振动方向间的夹角为 时，透过 P2 的光振幅的大小为E0cos ，由于光强度正比于振幅的二次方，所以透过P2 的光强为： I=I 0cos 2 。这个关系称为马吕斯定律（ E L马吕斯， 17751812，法国工程师），它表达了线偏振光透过偏振片前后光强间的关系。原理如下

7、图：- 2 -2偏振光干涉及显色原理：在两个偏振片之间放一个晶体。1当P1P2 时，（图 5）则单色自然光入射，通过第一个偏振片时是竖直方向，振动的线偏振光透过镜片成为椭圆偏振光，它可以用两个线偏振光来表示。它们的振幅分别为A 1o和 A 1e，它们之间的相位差是： = 2（ n0-ne）d / 再透过第二个偏振片，垂直于其偏振化方向的分量被偏振片吸收；因此A 1o和 A 1e 中只有沿偏振化方向的分量才能透过。它们之间的相位差为： = 2（n0-ne） d / + 附加相差 是由于 A 1o 和 A1e 投影的方向不同，选择统一的振动方向，则应加。现透过第二个偏振片的两束偏振光频率相同，振动

8、方向相同， 并且有固定的相位差。它们互相干涉，透射光的强度取决于两相干光束的相位差：= 2（ n0-ne） d / + =2k ，亮（1） (2k+1) ，暗当晶片是均匀地， d 为常数，在整个视场中，相位差相同，因此干涉的情况相同，亮度均匀，虽然无干涉条纹，但是仍为干涉，因他满足干涉条件，如果晶片地厚度不均匀，则不同的地方相位差不同，视场中出现强度具有一定的分布的干涉条纹。2当两偏振片的偏振化方向互相平行，即 P1 P2 时（图 6），相位差中没有附加的 。因此：= 2（ n0-ne） d / =2k ，亮（ 2） (2k+1) ，暗由（ 1）（ 2）可看出，在 P1 P2 满足亮条件时，在

9、 P1P2则满足暗条件；反之在P1P2 满足暗条件时，在P1P2 则满足亮条件，两种情况互补。因此旋转第二块偏振片，从P1P2 到 P1P2 观察到亮暗互补。如果光源采用包含各种色光的白光， 对于一定的晶片， 各种不同波长的光不可能同时满足相同的干涉亮条纹，而是有些波长的光满足干涉亮条件，有些波长的光满足干涉暗条件，结果在偏振光的干涉中呈现一定的色彩。 即显色偏振。 所以在转动第二个偏振片时可以看到颜色互补变化的彩色条纹。自然光p1A 1A 1eA 1op2偏振片 1波片人眼P1图4偏振片 2- 3 -A 1A 1A 1eA1eA 2e A 1oP2A2oA 1oA 2eA 2o图 5P1P2

10、 时图 6P1 P2 时3偏振光的其他应用：日本奈良尖端科技研究生院的大门宽教授应用 “圆偏振光光电子衍射原理” 开发成功立体显微镜， 能够把原子的排列结构扩大 100 亿倍，从而使人得以对微观世界的物质进行立体性的观测和摄影。 这是在世界上第一次对物质的原子结构进行高倍率的观测，它的观测倍率要比现有最高水平的电子显微镜提高大约 200 倍，今后在开发超导物质等新功能材料及解析催化剂的反应机制等应用物理和化学领域将会发挥重要作用。鸟类具有一种磁场感知系统， 一种是能把偏振光转化为可见光， 从而起到指南针的作用。蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向十分敏感的偏振片，可利用太阳准确定位。科

11、学家据此原理研制成功了偏振光导航仪，早已广泛用于航海事业中。TN 液晶显示器的原理：TN 液晶显示器是在一对平行放置的偏光板间填充了液晶。这一对偏光板的偏振光方向是相互垂直的。液晶分子在偏光板之间排列成多层。在正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来，通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透途径。当液晶分子竖立时光线就无法通过， 结果在显示屏上出现黑色。 这样会形成透光时为白、 不透光时为黑，字符就可以显示在屏幕上了。以斯托克斯参量为基础发展起来的偏振成象和偏振识别相技术近几年发展很快，现已成功的应用于卫星周围的大气测量，遥感现象， 地形地貌的高空照相，军事目标识别和雷达成象等系统， 由于采用了光的偏振参量作为成象因子，因而它比单纯的强度成象记录了更多的信息，对于分辨那些质料不同但颜色和反射强度相同的景物显示出巨大的优越性。显色偏振在光信息系处理中得到广泛的应用，如磁光空间光调制器（MOSIM ）中，获得干涉的亮暗场等。除了这些用处