毕业论文《偏振光的产生及其应用》VIP

PAGEPAGE1摘要：随着偏振光技术的发展，其在生活中的应用也越来越广泛，该文通过对偏振光的分析，全面地介绍了偏振光的分类、产生方法及应用。在偏振光产生的介绍中，分别介绍了线偏振光、椭圆偏振光、径向偏振光的产生方法，并利用电场矢量进行了具体分析。最后介绍了偏振光在生活和研究中的应用。关键字：光学；偏振光；双折射；应用；布儒斯特棱镜；振动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围的电磁波，是由于传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的。我们的眼睛能够看到的称为可见光，只是电磁波中的一段很小的波长范围，即400nm到700nm左右。近些年来，光学的应用范围急剧扩大，其中偏振光，在物理学领域，化学和工程学领域中，都作为主要的测量手段起到了重要的作用。偏振光应用的重要性在不断的提高，但直到目前，偏振光的理论知识尚不够普及。实验和应用的发展，要求在理论的基础上不断改进实验方法，提高测量精度。2偏振光的定义及分类2.1偏振光的定义在一般光源中包含着各个方向的光矢量，在所有可能的方向上的振幅都相等(轴对称)，这样的光叫自然光[1]。偏振光是指光矢量的振动方向不变或具有某种规则地变化的光波。偏振光是光矢量不均匀分布造成的。我们把这种振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。2.2偏振光的分类偏振光主要分为均匀偏振光和费均匀偏振光两部分。均匀偏振光：根据光波电矢量的端点在波面内描绘的轨迹的形状，来对偏振光的种类进行划分，大致可以把偏振光分为：线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光这几种，而线偏振光和圆偏振光都可以看作是椭圆偏振光的特殊情形。非均匀偏振光：非均匀偏振光的偏振态较为复杂，如径向偏振光，是电矢量振动方向在光束横截面上具有轴对称性,始终沿着径向的一种偏振光[2]。其电场数学表达式为(2-1)其中为径向单位矢量。3偏振光的产生3.1将自然光转化为偏振光的方法研究偏振光的应用之前，首先要了解它的产生，通常将自然光转化为偏振光可以用以下几种方法。3.1.1利用偏振片的二向色性将自然光转化为偏振光 通常而言，这种方法是最简单的方法。所谓二向色性，就是指某些物质能吸收某一方向的光振动，而只让与这个方向垂直的光振动通过。利用偏振片获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、折射原理产生偏振光用一块玻璃将光线以一定入射角射入玻璃，光线会被折射和反射，这样就可以获得反射偏振光和折射偏振光。其中反射光为部分偏振光，形成偏振光的特点是：垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动。折射光也为部分偏振光，特点是：平行于入射面的光大于垂直于入射面的光。3.1.3利用晶体双折射产生偏振光 这是通过晶体特性以及双折射的原理产生偏振光的方法。就以方解石晶体为例，当光束通过晶体时会发生双折射现象，产生寻常光和非寻常光。其中寻常光是符合折射定律的光线，非寻常光则不符合折射定律。通过实验证明，寻常光线和非常光线都是偏振光。3.2其它方法因为在科学研究中和日常生活中仍然有许多其它方法可以产生偏振光。在此，具体针对椭圆偏振光和径向偏振光的产生方法做出具体分析。3.2.1椭圆偏振光的产生椭圆偏振光是两列频率相同,振动方向互相垂直,且沿同一方向传播的线偏振光的合成。其电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆。要获得一般的椭圆偏振光,只需令自然光连续通过一个起偏器和一个波芯片。起偏器将自然光变为线偏振光,波芯片将线偏振光分解寻常光和非常光,由于它们在晶体内的传播速度不同,产生了一定的位相差,射出芯片之后,寻常光和非常光合成在一起便得到椭圆偏振光。把射出芯片的两个分量写成：(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，这是一个椭圆方程,所以运用这种合成的方法可以得到椭圆偏振光，并且在更特殊的情况下可以得到圆偏振光。3.2.2径向偏振光的产生（1）利用C切钒酸钇晶体产生径向偏振光利用高双折射C切钒酸钇晶体产生径向偏振光的方法如下。由He-Ne激光器出射的线偏振光经过光阑、起偏器（主轴方向为0°）和四分之一波片（主轴方向为45°）转换成圆形圆偏振光束,再经过扩束器扩成光斑直径为14mm的平行光束。该平行光束经一个透镜（焦距为30mm）会聚并入射到一块直径为25mm、长度为34mm圆柱形C切钒酸钇晶体内。由于晶体的各向异性性质,光束经过晶体后将形成两个聚焦焦点。再把一个位置可以三维调整的针孔（直径为50微米）分别放在两个焦点处,光束经过透镜的准直,可以得到两种不同类型的轴对称偏振光。检偏器、成像透镜和相机组成的系统用于定性测量生成的偏振光[4]。C切钒酸钇晶体对普通偏振光的转换原理如下。经过透镜聚焦后的光束入射到晶体内发生双折射,由于主平面和主截面重合,则o光和e光均位于主截面所在的圆柱截面上,不同的圆柱截面上o光和e光分别关于圆柱中心轴对称。根据塞米尔方程计算得到在632.8nm波长下,o光和e光的折射率分别是1.9929和2.2063,则在晶体后形成的焦点中离晶体较近的是o光焦点,离晶体较远的是e光焦点。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,则当针孔分别置于A,B点时将e光或o光滤掉,再经过透镜准直后可以得到角向偏振或径向偏振的平行光束。若入射到晶体内的光为圆偏振光,在晶体各纵向截面上分解得到o,e光振幅均为总振幅的,则出射的角向偏振光和径向偏振光光束内能量分布均匀。（2）圆锥形布儒斯特棱镜产生径向偏振光UichiKozawa和ShunichiSato设计了布儒斯特光学组件，用来实现可靠的更高稳定性的径向偏振光[5]。布儒斯特光学组件由凸棱镜及凹棱镜组成,它可从Nd:YAG激光谐振腔内直接产生径向偏振光束。为传输激光,此光学组件构成的凸棱镜和凹棱镜的顶角的设计满足布儒斯特条件。凸棱镜的侧面涂上了多层电介质层(SiO2和Ta2O5)以提高偏振选择性。当此棱镜用于Nd:YAG激光谐振腔内,产生了TEM01(R-TEM01)模式偏振光。他们通过实验观察到了这个简单布儒斯特棱镜产生的径向偏振光。4偏振光的应用4.1偏振光在生活中的应用4.1.1在摄影镜头前加上偏振镜消除反光在摄影时，表面光滑的物体容易反光，如玻璃器皿、水面、窗户、塑料表面等，常常会出现反光或耀斑，这是由于光线的偏振而引起的。在拍摄的时候加用偏振镜，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[6]。摄影时控制天空亮度，使天空变暗也是用到这一原理。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。4.1.2使用偏振镜看立体电影在观看立体电影时,观众们都要戴上一副特制的眼镜,这副眼镜的镜片就是一对透振方向互相垂直的偏振片。立体电影在拍摄的时候就是像人用眼睛看东西一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同一银幕上。这时如果用眼睛直接观看,看到的画面是模糊不清的,要能看到立体电影,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是互相垂直的。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。同立体电影的眼镜类似。偏振光眼镜也是如此，人们钓鱼是准备的钓具中常有它。指钓者在钓鱼时用于观察水面、浮漂时，可消除浮漂、水面反光的特种眼镜。该镜还可防止阳光刺眼。其镜片颜色有茶色、灰色和墨绿色。其原理是在光波中有自然光和偏振光两种。自然光的电磁波是向四面八方振动的，即所谓出现光线的滥反射。这样，钓者用肉眼和普通太阳镜观察水面上的浮原时会出现倒影，加上水面波纹闪动反光，很难看清浮漂。而偏振镜片中间的胶膜内含有无数细小的杆状晶体，均朝一个方向顺序均匀地排列，故通过偏振眼镜后的光线只能朝一个方向振动。4.1.3液晶显示“扭曲向列型液晶显示器”简称“tn型液晶显示器”。向列型液晶夹在两片玻璃中间。这种玻璃的表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电极之用。这种薄膜通常是一种铟和锡的氧化物，简称ito。然后再在有ito的玻璃上镀表面配向剂，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面之方向排列。利用电场可使液晶旋转的原理，在两电极上加上电压则会使得液晶偏振化方向转向与电场方向平行。因为液态晶的折射率随液晶的方向而改变，其结果是光经过tn型液晶盒以后其偏振性会发生变化。我们可以选择适当的厚度使光的偏振化方向刚好改变。那么，我们就可利用两个平行偏振片使得光完全不能通过。若外加足够大的电压V使得液晶方向转成与电场方向平行，光的偏振性就不会改变。因此光可顺利通过第二个偏光器。于是，我们可利用电的开关达到控制光的明暗。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。4.1.4生物的生理机能与偏振光与人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨不同的是某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如有些昆虫拥有复眼，这种复眼可以分辨天空中的偏振光，然后根据太阳的偏光确定太阳的方位，再以太阳为定向标来判断方向[7]。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。4.1.5滤光技术可见光的波长大约在390nm到770nm之间的区域内。我们在利用数字放映机放映画面时，数字放映机通过数字方式还原以红绿蓝三个颜色为基色的彩色图像。安装在放映机内的、快速转动的滤光轮，将红绿蓝各自分为高（H）、低（L）波长两部分，各包含左、右眼图像内容。通过分色滤光眼镜，让观众感受到左右眼各自的彩色画面，产生立体效果。由于滤光技术要对图像光谱进行分割，对色彩还原产生一定的影响，所以采用这种方式时，要在服务器上增加色彩管理软件，对图像数据进行校正处理。4.1.6汽车车灯汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分散射光。4.2偏振光在研究中的应用在光学显微镜的光学系统中插入了起偏振镜和检偏振器，用以检查样品的各向异性和双折射性的显微镜[8]。起偏振镜和检偏振器都是由偏光棱镜或偏光板的尼科耳棱镜制成。前者安装在光源与样品之间，后者安装在接物镜与接目镜之间或接目镜之上。在生物样品中，肌肉纤维、骨骼和牙齿等具有各向异性，淀粉粒、染色体和纺锤体等具有双折射性，因此被用于组织细胞的化学研究。光源最好用单波长光线。由于生物样品比金属、岩石或结晶的双折射性显着微弱，所以有时也借敏感的检偏振板造成的相加相减现象而利用其干涉色。偏振光显微镜通常用来检测生物体内某些有序结构、镜体的存在及其折射光学性质，同时也可用来检测某些组织中的化学成分。4.3偏振光在医学中的应用偏振光对人体具有光电作用、光热作用、光磁作用、光化学作用、光免疫作用及光酶作用等，照射人体后可产生相应的光点反映、光累积效应等，以达到治疗相应的病症及消除疼痛的目的。例如：直线偏振光治疗仪，选取60nm～1600nm（医学上称为人体透射窗口）特定波长的光谱，有效透射深度达50mm以上，透过偏振光的光学特性产生光针刺激和强烈的温热效应。该治疗仪取激光之单向传导性及透射性强的优点，比激光波长的单一性及温热性差、治疗功率抵之缺陷；避红外线散射性及吸收性差、穿透性差等缺陷，取近红外复合波长带热效应及穿透性好的优点，从而临床上取得了非常显着的疗效。4.4偏振光在建筑学中的应用用一些便宜和无污染的材料使用到房屋里面，利用它来改变房屋的建设来达到一些人们所需的要求，最终实现房屋的智能化、人性化。自然光在两种介质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为偏振光。根据马吕斯定律我们知道，只要偏振光经过偏振片就能产生不同强度和类型的偏振光，根据我们的需要，只要旋转两块偏振片，就能得到我们所要的光强。4.4.1可调温度的窗户根据偏振片的这一特性，我们是否可以将偏振片应用到楼宇中的窗户上，通过他来改变光的强度，从而调整室内的温度，这样夏天我们再也不用使用空调么来降温了，只需要通过调节两片偏振片的相对位置就能实现这一目的。当然在窗户的设计方面可能不能再按我们现行的方式设计，而最好是变成圆形状的。这样就能像我们平时使用的熏香剂的设计一样通过旋转就能改变光的强度，在夏天可以使他们的近乎90°或者270°，使尽量少的光进入室内；而在冬天则可以达到光强最大处，使屋内温度达到最高，方便又实用，而且无污染，天然。在偏振片上我们还可以镀上一定的滤光膜，这样我们讨厌的一些光线就可以滤掉，留下好的、有用的光供我们利用。4.4.2多功能建筑顶棚我们知道，传统的顶棚都是混凝土结构的，这种顶棚除了档雨和挡阳光以外没有其它作用。而今后我们的追求方向却是希望在满足基本作用的情况下能够最大限度的实现美感与观赏价值。在这里我们可以利用光的偏振原理设计出具有滤光，室内灭菌，隔热，观赏等功能于一身的多功能建筑顶棚。除此之外偏振光还可以应用在生活中的更多方面，例如：激光的谐振腔、偏振光分离法测试光信噪比、振光干涉的应用——白光测速仪、非金属夹杂物的鉴定等等。5结束语除过以上举出的几种偏振光的应用例子。还有许多利用偏振光的测量仪器或信息传递手段。另外，利用偏振光的基础研究也很活跃。比如，通过高分子材料内的偏振光状态变化，研究高分子的大小及配位状态，或根据偏振光的反射，分析物体表面吸附分子状态（椭圆对称）等类似的物理和化学的研究，已有很多报道。由此可见，偏振光的应用已经被普及到生活各处，也必将更有发展。参考文献；[1]姚启钧.光学教程.北京:高等教育出版社,2008.78～96[2]沈君.偏振光的研究.实验技术,2003,13(6):125～132[3]孙幕渊,陈志远.谈椭圆偏