偏振光(Polarized Light)

2021-04-08 13:41:17 浏览:1228

定义

光矢量的方向和大小有规则变化的光称为偏振光。

解释

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志,只有横波才有偏振现象。

自然光和几乎所有其他形式的人造照明设备都会传输光波,这些光波的电场矢量在垂直于传播方向的平面中振动。当通过滤波将电场矢量限制在一个平面上振动时,则可以说光相对于传播方向是偏振的,并且所有波都在同一平面内振动。

这个概念如下图1所示,在遇到第一个偏振片之前,入射光电场矢量的振动方向在垂直于传播方向的平面上均等分布。偏振片实际上是包含在单个方向上取向的长链聚合物分子的滤光片,仅在与取向的聚合物分子在同一平面内振动的入射光被吸收,而与该平面成直角振动的光则可以通过。在图1中,第一个偏振片垂直于入射光束,且仅允许通过入射光束中垂直方向振动的光波。通过第一个偏振片的波随后被第二个偏振片阻挡,因为第二个偏振片相对于光波中的电场矢量是水平取向,所以将不会有光穿过第二个偏振片。使用两个相对于彼此成直角的偏振片通常被称为交叉偏振,并且是偏振光显微镜实践的基础。

 

图 1

分类

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。按照其性质,偏振光又可分为自然光、完全偏振光和部分偏振光几种。

1、自然光

光波是横波,即光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。通常光源发出的光波,其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向,但统计平均来说,在空间所有可能的方向上,光波矢量的分布可看作是机会均等的,它们的总和与光的传播方向是对称的,即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同,这种光就称为自然光。

2、完全偏振光

(a)线偏振光

光矢量端点的轨迹为直线,即光矢量只沿着一个确定的方向振动,其大小随相位变化、方向不变,称为线偏振光。

(b)椭圆偏振光

光矢量端点的轨迹为一椭圆,即光矢量不断旋转,其大小、方向随时间有规律的变化,称之为椭圆偏振光。

(c)圆偏振光

光矢量端点的轨迹为一圆,即光矢量不断旋转,其大小不变,但方向随时间有规律地变化,称之为圆偏振光。

3、部分偏振光

在垂直于光传播方向的平面上,含有各种振动方向的光矢量,但光振动在某一方向更显著,不难看出,部分偏振光是自然光和完全偏振光的叠加。

特点

横波有一个特性,就是它的振动是有极性的。在与传播方向垂直的平面上,它可以向任一方向振动。一般把光波电场振动方向作为光振动方向。如果一束光线都在同一方向上振动,就称它们是偏振光,或严格一点,称为完全偏振光。一般的自然光在各个方向振动是均匀分布的,是非偏振光。但是,光滑的非金属表面在一定角度下(称为布儒斯特角,与物质的折射率有关)反射形成的眩光是偏振光。偏离了这个角度,就会有部分非偏振光混杂在偏振光里。我们称这种光线为部分偏振光。部分偏振光是有程度的。偏离的角度越大,偏振光的成分越少,最终成为非偏振光。

应用

1、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己的车灯发出的光,而看不到对面车灯的光,这样,汽车在夜间行驶时,既不要熄灯,也不要减速,可以保证安全行车。

2、摄像机镜头

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。

3、3D电影

在拍摄立体电影时,用两个摄影机,两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛,它们同时分别拍下同一物体的两个画像,放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面,就可以使观众得到立体感。为此,在放映时,两个放像机每个放像机镜头上放一个偏振片,两个偏振片的偏振化方向相互垂直,观众戴上用偏振片做成的眼镜,左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同,右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同,这样,银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察,在人的脑海中就形成立体化的影像了。

4、LED液晶屏

LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说,若一个平面上的分子南北向排列,则另一平面上的分子东西向排列,而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播,所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时,分子便会重新垂直排列,使光线能直射出去,而不发生任何扭转。

LCD是依赖极化滤光片和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光片实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网,阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光片的线正好与第一个垂直,所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光片的线完全平行,或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光片相匹配,光线才得以穿透。

LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光片构成,所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是,由于两个滤光片之间充满了扭曲液晶,所以在光线穿出第一个滤光片后,会被液晶分子扭转90度,最后从第二个滤光片中穿出。另一方面,若为液晶加一个电压,分子又会重新排列并完全平行,使光线不再扭转,所以正好被第二个滤光片挡住。总之,不加电将光线射出,加电则使光线阻断。

参考文献

[1] An Introduction to Physical Science, 14th Ed. Cengage Learning. Shipman James, Wilson Jerry D., Higgins Charles A., 2015, p. 187. ISBN 978-1-305-54467-3.
[2] Fundamentals of Optics, 2nd Ed. Singh Devraj, 2015, PHI Learning Pvt. Ltd. p. 453. ISBN 978-8120351462.
[3] Light and Video Microscopy, Academic Press, Randy O. Wayne, 2013-12-16. ISBN 978-0-12-411536-1.
[4] Polarized Light, Revised and Expanded. CRC Press. Dennis Goldstein, Dennis H. Goldstein, 2011, ISBN 978-0-203-91158-7.
[5] Field Guide to Polarization, Edward Collett, SPIE Field Guides vol. FG05, SPIE, 2005, ISBN 0-8194-5868-6.
[6] Polarized Light, second edition, Dennis Goldstein, Marcel Dekker, 2003, ISBN 0-8247-4053-X.

成像基本概念

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