光的偏振及其应用

1光的偏振及其应用

江西省萍乡市上栗中学彭俊昌

一、光的偏振

自然光通过偏振片P之后，只有振动方向与偏振片的透振方向一致的光才能顺利通过，也就是说，通过偏振片P的光波，在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫偏振光。通过偏振片P的偏振光，再通过偏振片Q，如果两个偏振片的透振方向平行，则可以通过；如果两个偏振片的透振方向垂直，则不能透过Q（如图-1所示）。根据偏振光的这个特性，在实际中有很多用途。

二、光的偏振的应用

1．在摄影镜头前加上偏振镜消除反光

自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角变化时，偏振的程度也有变化。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，这是由于反射光波的干扰而引起的。如果在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜片，让它的透振方向与反射光的透振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。

例1．下列说法正确的是（）

A．拍摄蓝天白云相片时，可以加用偏振镜片，突出蓝天中的白云

B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光

C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景物更清晰

D．拍摄玻璃橱窗里的陈列物时，照相机镜头前的偏振片的透振方向应与反射光的振动方向平行

分析：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，蓝天会变暗，从而突出了蓝天中的白云，所以A正确；自然光射到界面上时，

反射光线与折射光线都是偏振光，当反射光和折射光的夹角为90°时，偏振程度最大，且两束光的振动方向垂直，所以B正确；拍摄水面下或玻璃橱窗内的景物时，应使偏振片的透振方向与反射光的振动方向垂直，这样反射光不能进入镜头，所以C正确，D错误。正确答案ABC。

2．汽车前灯和前窗玻璃用偏振玻璃防止强光

夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照射得睁不开眼睛，严重影响行车安全。若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃，使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向恰好与灯光的振动方向垂直，这样司机不仅可以防止对方汽车强光的刺激，也能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。

例2．假设所有的汽车前窗玻璃和前灯玻璃均按同一要求设置，使司机不仅可以防止对方汽车强光的刺激，也能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。以下措施中可行的是（）

A．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向是水平的

B．前窗玻璃的透振方向是竖直的，车灯玻璃的透振方向也是竖直的

C．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向是斜向左上45°

D．前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，车灯玻璃的透振方向也是斜向右上45°

分析：首先，司机要能够看清楚自己车灯发出的经对面物体反射回来的光线，所以他自己车灯的偏振片的透振方向和前窗玻璃的透振方向一定要平行；其次，他不能看到对面车灯发出的强光，所以对面车灯玻璃的透振方向与他自己车窗玻璃的透振方向一定要垂直。满足上述要求的只有D。

3．利用偏振光的旋光特性测量相关物理量

偏振光通过一些介质后，其振动方向相对原来的振动方向会发生一定角度的旋转，旋转的这个角度叫旋光度，旋光度与介质的浓度、长度、折射率等因素有关。测量旋光度的大小，就可以知道介质相关物理量的变化。

例3．一段时间以来，“假奶粉事件”闹得沸沸扬扬，奶粉的碳水化合物（糖）的含量是一个重要的指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而鉴定含糖量。偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量与标准值进行比较，就能确定被测样品的含糖量。如图所示，S是自然光源，A、B是偏振片，转动B，使到达O处的光最强，然后将被测样品P置于A．B之间，则下列说法正确的是（）

A．到达O处光的强度会明显减弱

B．到达O处光的强度不会明显减弱

C．将偏振片B转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片B转过的角度等于α

D．将偏振片A转动一个角度，使得O处光强度最大，偏振片A转过的角度等于α

分析：没有被测样品时，A、B透振方向平行，O处光最强，当加上被测样品时，由于旋光作用，偏振光的振动方向会旋转一个角度，即振动方向与B的透振方向不平行，所以O 处光的强度会明显减弱；要想使O处的光仍最强，可以旋转B一个角度或反方向旋转A相同角度。正确答案ACD。

例4．如图-3所示为一种利用光纤温度传感器测量温度的装置，一束偏振光射入光纤，由于温度的变化，光纤的长度、芯径、折射率均发生变化，从而使偏振光的透振方向发生变化，光接收器接收到的光的强度就会变化。关于这种温度计的工作原理，以下说法正确的是（）

A．到达检偏器的光的透振方向变化越大，光接收器所接收的光的强度就会减小，表示温度变化越大

B．到达检偏器的光的透振方向变化越小，光接收器所接收的光的强度就会减小，表示温度变化越大

C．到达检偏器的光的透振方向变化越小，光接收器所接收的光的强度就会减小，表示温度变化越小

D．到达检偏器的光的透振方向变化越大，光接收器所接收的光的强度就会减小，表示温度变化越小

分析：若待测物体的温度越高，则偏振光通过光纤后的旋光度越大，通过检偏器后光的强度就会越小。正确答案为A。

4．利用光的偏振制成液晶显示器

如图-4所示为电子手表等的液晶显示器，两块透振方向互相垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，盒内液晶层的上下是透明的电极板，它们刻成了数字笔画的形状。外界的自然光通过第一块偏振片后，成了偏振光，这束光在通过液晶时，如果上下两液晶片间没有电压，光的偏振方向会被液晶旋转90°，于是它能通过第二个偏振片。第二个偏振片的下面是反射镜，光线被反射回来，这时液晶盒看起来是透明的。但如果在上下两个电极间有一定大小的电压时，液晶的性质就改变了，旋光性消失，于是光线不能通过第二个偏振片，这个电极下的区域就变暗，于是就显示出了数字。

5．使用偏振片观看立体电影

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，如图-5所示。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，它的作用相当于起偏器。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。观众戴上透振方向互相垂直的偏振眼镜观看，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。

2光学干涉显微镜测量技术

光学干涉显微镜测量技术，包括外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术、基于F-P （Febry-Perot）标准的测量技术等，随着新技术、新方法的利用亦具有纳米级测量精度。

外差干涉测量技术具有高的位相分辨率和空间分辨率，如光外差干涉轮廓仪具有0.1nm 的分辨率；基于频率跟踪的F-P标准具测量技术具有极高的灵敏度和准确度，其精度可达0.001nm，但其测量范围受激光器的调频范围的限制，仅有0.1μm。而扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electric Microscope）可使几十个原子大小的物体成像。

美国ZYGO公司开发的位移测量干涉仪系统，位移分辨率高于0.6nm，可在1.1m/s的高速下测量，适于纳米技术在半导体生产、数据存储硬盘和精密机械中的应用。

目前，在微/纳米机械中，精密测量技术一个重要研究对象是微结构的机械性能与力学性能、谐振频率、弹性模量、残余应力及疲劳强度等。微细结构的缺陷研究，如金属聚集物、微沉淀物、微裂纹等测试技术的纳米分析技术目前尚不成熟。国外在此领域主要开展用于晶体缺陷的激光扫描层析（Laser Scanning Tomograph）技术，用于研究样品顶部几个微米之内缺陷情况的纳米激光雷达技术（Nanoladar），其探测尺度分辨率均可达到1nm。

一．全息照相

但是，光是一种波，从被摄物体上各点反射出来的光不仅强度（它正比于光波振幅的平方）不同，而且位相也不同。全息照相就是一种既记录反射光的强度，又记录反射光的位相的照相术。这种照相术记录的是光波的振幅和位相的全部信息，所以称为全息照相。全息照相是应用光的干涉来实现的。它用激光（是良好的相干光）作光源。全息照相的原理如图所示，激光束被分成两部分：一部分射向被摄物体，另一部分射向反射镜（这束光叫参考光束）。从物体上反射出来的光（叫做物光束）具有不同的振幅和相位，物光束和从反射镜来的参考光束都射到感光片上，两束光发生干涉，在感光片上产生明暗的干涉条纹，感光片就成了全息照相。干涉条纹的明暗记录了干涉后光的强度，干涉条纹的形状记录了两束光的位相关系。从全息照片的干涉条纹上不能直接看到物体的像，为了现出物体的像，必须用激光束参考光束）去照射全息照片，当参考光束通过全息照片时，便复现出物光束的全部信息，于是就能看到物体的像。全息照相较之普通照相有许多优点。第一，它再现出来的象是跟原来物体一模一样的逼真的立体像，跟观察实物完全一样；第二，把全息照片分成若干小块，每一小块都可以完整地现出原来物体的像，所以全息照片即使有缺损，也不会使像失真；第三，在同一张感光片上可以重叠记录许多像，这些像能够互不干扰地单独显示出来。全息照相技术有

重要的实际应用：全息照相在一张感光片上可以重叠记录许多像，这为信息的大容量高度储存提供了可能，例如用全息照相方法可以把一本几百页的书的内容存储在只有指甲大小的全息照片上。全息照相在精密测量、无损检测、显微术等方面也得到应用。随着全息照相技术的发展，它将会得到更广泛的应用。

二．监测瓦斯浓度

科学技术的进步与相关仪器的联系是非常密切的，不同的实验需要不同的仪器来协助完成，而不同的仪器有不同的制作原理，同时需要不同的方法进行操作。而对测气体折射率则可用迈克耳逊干涉仪。因为迈克耳逊干涉仪可以用来测定气体在各种温度和压强下的折射率

煤矿中瓦斯爆炸危害极大。根据瓦斯的气体的折射率大于干净空气的折射率，设计一种利用光的干涉监测矿井瓦斯的仪器，原理如图9所示。可以在双缝前面放置两个完全相同的透明容器A、B，容器A与干净的空气相通，在容器B中通人矿井中的气体，观察屏上的干涉条纹，就能够监测瓦斯浓度。

这些应用不仅与生活息息相关，而且还有着举足轻重的地位，全息照相让我们的生活更真实、更清晰，监测瓦斯浓度却让我们的生活更安全、更放心。相信这些应用会有更好的前景，因为它们源于科学而终于生活！