偏振光的产生及其应用

偏振光的产生及其应用 大学物理小论文 《偏振光的原理及其应用》 学院:电子信息学院 班级:通信1005班 姓名:吴劼刚 学号:10211124 序号:8 1 偏振光的原理及其应用 1、初步认识偏振光 在高中的时候便学习了偏振光，了解了偏振光是一种横波，即振动方向和传播方向垂直，而且偏振光的振动方向是一定的，这样当我们在光的传播方向上设上限制其振动方向的“路障”——偏振片时，只有符合偏振片的振动方向的偏振光才能通过，当时老师讲课的时候给了我们两块玻璃片，让我们将这两块玻璃片平行的放在一起，然后改变他们的角度组合，这时我们便会发现当我们转动玻璃片时，透过玻璃片的光的亮暗也会随之改变，最暗的时候两块原本透明的玻璃片都变成了纯黑发的。一开始还不知道原理，觉得特别神奇，为什么明明是透明的玻璃片会不透光呢，老师讲解以后才恍然大悟，原来这两块和普通的玻璃片不一样，它们是偏振片，在偏振片上会有非常细的平行细缝，当自然光通过第一块偏振片时变成为了偏振光，振动方向和细缝保持一致，当通过第二块偏振片时，如果偏振光的振动方向和第二块偏振片的细缝方向一样时，光会完全透过，转动偏振片，振动方向和细缝方向的角度会增大，那么透过两块偏振片的光的亮度也会随之降低，直到角度为90?，光就完全无法透过了即两块偏振片变成了不透明的了。虽然知道了原理但还是觉得偏振光挺好玩的，后来也知道了偏振光的诸多用途，打了大学以后，自己也动手查了很多资料，对偏振光的原理和用途有了一个更全面更深入的了解。 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。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: 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 2 光束横截面上具有轴对称性 ,始终沿着径向的一种偏振光。如下图: 图一:径向偏振光的电场分布 E(r,,),E(r)eer其电场数学表达式为: (其中)为径向单位矢量。 0rr 3、偏振光的产生 3.1将自然光转化为偏振光的方法有很多种，常用的有以下几种: (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。 (2)利用反射、折射原理产生偏振光 ii n1 空气 n2 , 玻璃 图二:通过反射和折射产生偏振光的光路图 利用图中的方法，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 3 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。 对于一般的光学玻璃 , 反射光的强度约占入射光强度的7.5%，大部分光将透过玻璃。所以运用多个平行的玻璃片组成的玻璃片堆可以得到线偏振光。 (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。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其他方法 因为在科学研究中和日常生活中仍然有许多其他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。 [1](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晶片。起偏器将自然光变为线偏振光 ,波晶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δ,射出晶片之后 ,寻常光和非常光合成在一起便得到椭圆偏振光。把射出晶片的两个分量写成: E,Acos,t xx E,Acos(,t，,) (1) yy EEyxsin(,t，,),sin,t,sin,由(1)式有: (2) AAxy EEyxcos(,t，,),cos,t,0 (3) AAxy 由(2)、(3)式可得: EEE2Eyxyx2，,cos,,sin, AAAAxyxy 4 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。 [2](2)径向偏振光的产生 1、C - cut Nd : YVO4 晶体的双折射产生径向偏振光 Kazuhiro Yonezawa等人设计的一种在激光腔内直接产尘径向偏振光的简单装置 ,如图三所示。激光腔由 (凹透镜 ,C -晶轴 ,输出耦合器) 。三个部分组成 Nd : YVO4 被置于 C - 晶轴内 ,Nd :YVO4 晶片有正双折射效应 ,而对波长为 1. 065μm的 o 光和 e 光折射率分别为 no = 1. 9573 和 nex = 2. 1652。当光线通过双折射晶体时 ,不论是发散还是汇聚 ,因折射率不同 ,o 光和e 光仍将沿不同路径传播。谐振腔由平面镜和凹透镜组成 ,且镜间间距近似等于凹透镜的半径 ,由于 e 光在晶体表面比o 光折射得更厉害 ,e 光的稳定谐振长度限将比 o 光长。因此 ,将产生一段 e 光稳定而 o 光不稳定的谐振腔长度范围。当谐振腔的长度稍大于凹透镜的半径时 ,在此谐振腔中将仅有 e 光能稳定振荡。而 e 光对应于径向偏振光束 ,这样就得到了径向偏振光束。这种方法产生的径向偏振光束即使在较低功率输出下也相当稳定 ,而且由于其构造极其简单 ,有望被作为径向偏振激光源。 2、圆锥形布鲁斯特棱镜产生径向偏振光 Uichi Kozawa 和 Shunichi Sato设计了布鲁斯特光学元件 ,如图四所示 ,来实现可靠的更高稳定性的径向偏振光。布鲁斯特光学元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 ,此光学元件构成的凸棱镜和凹棱镜的顶角的设计满足布鲁斯特条件。凸棱镜的侧面涂上了多层电介质层 (图 4 ) ( 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鲁斯特棱镜产生的径向偏振光。 5 图三 径向偏振光发生器示意图 图四 圆锥形布鲁斯特棱镜 4、偏振光的应用 4.1.1偏振光在生活中的应用 1、在摄影镜头前加上偏振镜消除反光 在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的。在拍摄时加用偏振镜，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。 2、摄影时控制天空亮度，使天空变暗。 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。偏振镜是灰色的，所以在黑白和彩色摄影中均可以使用。 3、使用偏振镜看立体电影 在观看立体电影时,观众要戴上一副特制的眼镜,这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。 立体电影是用两个镜头如人眼那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 6 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互相垂直。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。 4、偏振光眼镜 同立体电影的眼镜类似。它是钓具辅助具之一。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。 5、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。 4.1.2偏振光在研究中的应用 1、偏振光显微镜 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。起偏振镜和检偏振器都是由偏光棱镜或 7 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著微弱，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。 8