论光的偏振性.doc

摘要光的干涉和衍射现象表明了光的波动本性，光的偏振现象则进一步揭示了光的横波性质，这和光的电磁理论完全一致。光波是电磁波。电磁波中起光作用的主要是电场矢量，所以电场矢量又叫光矢量。由于电磁波是横波，所以光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向垂直。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量可能有各种不同的振动状态，这种振动状态通常称为光的偏振态。本文对光的干涉、衍射和偏振现象进行分析，使人们对偏振光及其应用有更深入得了解。关键词干涉；衍射；偏振AbstractOptical interference and diffraction phenomena show that the fluctuations in the nature of light, polarization phenomena further revealed the wave nature of light, This is exactly the same electromagnetic theory of light.Light is an electromagnetic wave. Play the role of electromagnetic waves of light are mainly electric field vector, so called electric field vector of light vector. As the electromagnetic waves are transverse, so the vibration of light waves in the direction of light vector sum of the propagation of light perpendicular to the direction. Propagation direction perpendicular to the plane of light, light vector may have different vibration states, often referred to as the vibration state of polarization of light. This optical interference, diffraction and polarization analysis, polarization and its application to people with a better understanding. Keywords Interference; Diffraction; Polarization不要删除行尾的分节符，此行不会被打印15- -目录摘要IAbstractII1 绪论12 光的干涉和衍射22.1 光的干涉22.2 光的衍射32.3 本章小结43 光的偏振性53.1 偏振态53.1.1 自然光53.1.2 线偏振光53.1.3 部分偏振光63.1.4 圆偏振光63.1.5 椭圆偏振光63.2 右旋光和左旋光63.2.1 圆偏振光63.2.2 椭圆偏振光73.2.3 波的双重周期性73.3 本章小结94 偏振性的应用104.1 生活中的应用104.1.1 偏光太阳镜104.1.2 立体图片与立体电影114.2 现代科学技术中的应用124.2.1 偏振光显微镜124.2.2 偏振计与糖量计134.3 本章小结13结论15参考文献16致谢17千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行1 绪论人类对于光的本性的认识曾经经历过一段十分艰辛曲折而又漫长的道路。光学和力学一样，在古希腊时代就受到注意，光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名，但在自然科学与宗教分离开之前，人类对于光的本质的理解几乎再没有进步，只是停留在对光的传播、运用等形式上的理解层面。十七世纪，对这个问题已经开始存在“波动学说”和“粒子学说”两种声音：荷兰物理学家惠更斯在1690年出版的光论一书中提出了光的波动说；而英国物理学家牛顿则坚持光的微粒说，并在1704年出版的光学一书提出他的微粒说。十九世纪，英国物理学家麦克斯韦引入位移电流的概念，建立了是电磁学的基本方程，创立了光的电磁学说，通过证明电微波在真空中传播的速度等于光在真空中传播的速度，从而推导出光和电磁波在本质上是相同的，即光是一定波长的电磁波。二十世纪，量子理论和相对论相继建立，物理学由经典物理进入了现代物理学。1905年美国物理学家爱因斯坦提出了著名的光电效应，认为紫外线在照射物体表面时，会将能量传给表面电子，使之摆脱原子核的束缚，从表面释放出来，因此爱因斯坦将光解释成为一种能量的集合光子。1925年，法国物理学家德布罗意又提出所有物质都具有波粒二象性的理论，即认为所以的物体都既是波又是粒子，随后德国著名物理学家普朗克等数位科学家建立了量子物理学说，将人类对物质属性的理解完全展拓了。综上所述，光的本质应该认为是“光子”，它具有波粒二象性。所以光既是一种波，又是由一个个光子所构成，不过作为一种独特物质，它的波动性还是占主要方面。2 光的干涉和衍射根据19世纪麦克斯韦的经典电磁理论，光是一种电磁现象。1888年赫兹通过实验进一步验证了光的本质是电磁波。从此，人们对光本性的研究进入了波动光学时期。惠更斯提出，波动传到的各点能够发射子波。菲涅耳进一步指出，这些子波经传播在空间某点相遇时可以相互叠加发生干涉现象，又可以绕过障碍物偏离直线传播进人几何阴影区发生衍射现象。所以，就其本质而言，干涉和衍射是没有区别的，都是光在遇到障碍物之后所表现出的光强分布不均匀现象。对于光为什么有时候表现为干涉，而有时候表现为衍射，本文进行如下分析：2.1 光的干涉对于满足一定条件的两个或两个以上的光波，在它们相交的区域，各点的光强度与光波单独作用所生成光强度之和可能是极不相同的，有些地方的光强度近于零，另一些地方的光强度则较各光波单独作用所生强度之和大得多，这种现象称为光的干涉。1要产生光的干涉现象，相遇的光波必须满足三个基本条件：(1) 两光源的振动频率(或光波波长)相同；(2) 两光源的振动方向要相同；(3) 两光源的振动相位差要维持不变。满足这三个基本条件的两个光源称作相干光源，换言之，只有相干光才能产生光的干涉现象。平时所见到两个完全独立的光源(如2只蜡烛发出的光，2盏日光灯或白炽灯发出的光)显然不是相干光源，所以就不能发生干涉现象了。但是在日常生活中很容易见到光的干涉现象，例如肥皂泡上的彩色条纹，就是光在肥皂膜上形成干涉图案。大雨之后马路低洼之处形成积水，如果水面上有油滴，在日光照射下，油膜上也会显现出各种不同彩色条纹，这些都是光的干涉现象。因此光的干涉即是：相干光源在空间叠加后，其合振动在有些地方固定的加强，在有些地方固定的减弱，强度在空间有一种周期性变化的稳定分布。此时，在叠加区内的屏上一般会形成固定的干涉花样，其图象不随时间改变。波动是振动在介质中的传播，因此，光波的叠加问题可以归结为讨论空间任一点电磁振动的叠加。设两波源为和，它们的电矢量振动方向相同，各自发出频率相同，初相位不同的光波，当这两列光波在介质中任一点P相遇时(如图2-1)，可证明，它们在该点引起的平均强度为=+，式中和分别是发自和的两列光波到达P点的各自的平均强度，为两列光波到达P点时的相位差，上式右边的第三项称为两列光波的干涉项。为了观察干涉现象，要求不随时间急剧变化。由上式可知P点的光强度，完全决定于干涉项，亦即决定于相差的具体情况。根据的取值不同而出现的结果不同，将干涉现象分为相长干涉和相消干涉。当=时， ()，为相长干涉。当=时。()，为相消干涉。P图2-1 相遇的两列光波2.2 光的衍射所谓光的衍射是指光绕过障碍物，偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强不均匀的分布现象。人们往往误以为，只有在障碍物线度与波长相比拟时，才发生衍射现象，衍射理论才成立。否则当障碍物远大于波长时或无障碍时，光沿直线传播，衍射理论不成立。表面上看两者是矛盾的，实际上两者是统一的。衍射是由光的波动本性决定的，无论有无障碍物，也不管障碍物大小，只是在障碍物线度和波长相比拟时，衍射现象才明显，在其它情况下不明显而已。而且，在极限情况下，光的衍射结果就是光的直线传播。2对于一个纯衍射问题，光在传播过程中，其波阵面受到很大限制，此时障碍物的几何尺寸都很小，根据惠更斯原理可知，光线偏离了原来的直线传播方向，并且在几何阴影区的边缘产生了强度大小分布，对波阵面限制越厉害，衍射效应就越明显。如各种很美丽的激光衍射花纹就是利用大小形状各异的衍射屏(障碍物)而获得的。惠更斯利用波阵传播的原理，得出光在传播过程中碰到障碍物会产生偏离直线传播的现象，但由此产生光强大小的分布问题是由菲涅耳在惠更斯原理的基础上提出次波相干的理论解决的，形成了惠更斯菲涅耳原理。3该原理指出：波阵面上的每一点都是次波的波源，新的波阵面就是这些次波的包络面，而且这些次波都是相干的。由于每个波阵面上都存在着无穷多个次波的波源，因此，在光的衍射中，其光的叠加就是对无穷多个次波叠加的结果，在数学处理上是一个积分求和的过程。用矢量图解时，其矢量图是一个光滑的圆弧。一般来看，衍射不明显，是障碍物(或孔)的线度对光的波长而言太大的原因。实际上，衍射是否明显，是由光源、障碍物(或孔)、观察点及其间距等多个因素共同决定的。障碍物(或孔)的线度足够小，光源与障碍物(或孔)的距离足够大及光源的亮度足够大，致使障碍物(或孔)后面有一点的振幅足够大，衍射就明显，否则就不明显。一般地说，b(障碍物的限度)与几乎相同时，衍射现象极端明显，过渡到散射；b在10-100之间时，衍射现象显著，出现明暗衍射花样；b1000时衍射现象不明显，可按直线传播处理。光的衍射是波动本性，直线传播也是光的波动本性的结果，两者不是对立的，而是完全统一于光的波动性。2.3 本章小结光的衍射和干涉现象都是重要的光学现象，它们有区别又有联系。它们都是建立在波动光学基础之上的概念，它们之间不存在物理上的实质性的差别，都是光振动的迭加所引起的结果。光的干涉与衍射都可以得到明暗相间的条纹，都有力地证明了光的波动性。但是，产生这两种现象的条件是不同的。光的干涉现象需要相干光，即两列振动情况总是相同的光源，在同一介质中相遇。而光的衍射现象产生的条件是障碍物或孔的线度与光波波长可以比拟的情况。光经过小孔或狭缝产生非直线传播的现象，此时便可在光屏上形成明暗相间的条纹。其次，干涉条纹与衍射条纹也是有区别的，以狭缝为例，干涉条纹是相互平行、等距（宽度相同）的；而衍射条纹是平行而不等距的，中间最宽，两边条纹宽度逐渐变窄。3 光的偏振性光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，但还不能由此确定光是横波还是纵波。而光的偏振现象则是判断横波最有力的实验证据。3.1 偏振态光是横波。光的振动方向与传播方向垂直，这就引出了“光的偏振”的概念。为了对各种偏振光有较深入的认识，须对偏振光正确地进行系统分析，先定义“偏振态这个概念。“在两个横向方向中，每一个方向的场都可以有各种不同数量（振幅）和各种可能的相对相位。这两个独立横向场的振幅和相位的一个特定的关系，就叫做一种偏振态。”实际上最常见的光的偏振态，大体可分为五种：自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。4在同一波面上，两个互相垂直方向的振动，我们分别用、方向来描述，则有： （1）现在，对常见的五种偏振态，讨论如下：3.1.1 自然光由大量初相位无光、振动方向杂乱无章的电矢量组成。每一个取向的振动都有同等的几率，在相当长的时间（秒已足够）内，各取向上的电矢量的时间平均值都是相等的，他们对于光的传播方向形成轴对称分布，但任何两个振动之间没有固定的位相关联。5自然光可以用两个相互独立的、等振幅的、互相垂直的横振动来表示。这两个横振动之间，毫无相位联系。在（1）式中， ，不能确定。3.1.2 线偏振光只包含单一振动方向的光叫线偏振光。线偏振光也可以说是由互相垂直的两电矢量合成的，其相位关系固定为0或。在(1)式中，和可以为任意值，而=0或。3.1.3 部分偏振光由大量初相位既非完全无关、又非完全有关，振动方向既非完全规则、又非完全无规则的电矢量组成。不同取向振动的振幅大小不同。部分偏振光的偏振度由下式表示：，是两个互相垂直的独立分量的强度之和，即部分偏振光的总强度。当P=0时，就是自然光，即自然光的偏振度为0。所以自然光也叫完全非偏振光。当P=1时，就是线偏振光，也称完全偏振光。3.1.4 圆偏振光在光传播过程中，电矢量瞬时值大小不变，方向以角速度匀速转动，其端点在波面内描绘的轨迹是一个圆。这种光由两个振幅相等、相位差恒定为的互相垂直振动合成。在（1）式中， ， 。3.1.5 椭圆偏振光光在传播过程中，电矢量的瞬时值大小改变，方向以角速度匀速转动，其端点在波面内描绘的轨迹是椭圆。在（1）式中， ， 或 ， ， 。3.2 右旋光和左旋光圆偏振光和椭圆偏振光，又可分为右旋偏振光和左旋偏振光。当观察者迎着光传播方向看去时，电矢量在波面上顺时针旋转者为右旋光，逆时针者为左旋光。63.2.1 圆偏振光圆偏振光（） ，振动超前 ，为右旋圆偏振光。 ，振动落后 ，为左旋圆偏振光。73.2.2 椭圆偏振光 右旋正椭圆偏振光。（ 右旋圆偏振光） 左旋正椭圆偏振光。（ 左旋圆偏振光） 右旋椭圆偏振光。 左旋椭圆偏振光。归纳起来，正为右旋光，负为左旋光。当 及 时，椭圆长轴在一、三象限； 当 及 时，椭圆长轴在二、四象限（如图3-1所示）。8显然，椭圆偏振光的去向、长短轴的大小和比值，都是、及的函数。图 3-13.2.3 波的双重周期性波具有双重周期性，既有时间的周期性，又有空间的周期性。那么，光波电矢量在空间坐标系中的旋转方向，和在波面上随时间旋转的方向有什么关系呢？所谓右旋光和左旋光，是指的哪一个旋转方向呢？例 在空间坐标系中，作出波的传播图（如图3-2）。随着的增大，合成电矢量在空间转动，其轨迹为一左旋螺旋线。1234567812345678图 3-2(a)再取一定，即在某一波面上来观察，如图3-2(a)所示，粗、细实线分别代表和时刻电矢量在空间各点的位置，在波面上，电矢量从1到2，这是顺时针转动的。从图3-2(a)来看，一定，即观察者站在空间某一确定位置（如8号位）来看，迎着光的传播的方向，则观察到电矢量是按图3-2(a)下小方框所示的8、7、6、5的方向旋转顺时针旋转。根据定义，这束光是右旋椭圆偏振光。 1221 图3-2(b)由此可见，光在空间传播时，随坐标值增加，电矢量沿左螺旋线排布，在波面上，电矢量必须是顺时针转动，称右旋光；在空间坐标系中，电矢量沿右旋螺旋线排布，在波面上，电矢量必为逆时针旋转，称为左旋光。3.3 本章小结由以上讨论知，分析偏振态，不仅要注意讨论横向场两垂直分量的振幅关系，而且要注意讨论他们的位相关系。正确理解光的偏振态，就能正确地分析光的起偏、检偏和旋光现象。从而进一步讨论偏振光的干涉和光通过晶片后的偏振态等问题。所以，对光的偏振态的分析，这是讨论光的偏振现象的基础。4 偏振性的应用光的偏振性和偏振规律不断的被入们发现和掌握，相应地在日常生活、现代生产实践和科学技术中的应用亦日益广泛。比如在机械工业中，利用偏振光的干涉来分析机件内部应力分布情况。在化工厂里，我们可以利用偏振光测量溶液的浓度。偏光干涉仪、偏光显微镜在生物学、医学、地质学等方面有着重要的应用。在航海、航空方面则制出了偏光天文罗盘。9下面介绍几种应用比较广泛的实例。4.1 生活中的应用4.1.1 偏光太阳镜在任何一种利用偏振光的装置中，一般都需要有两个偏振片，它们分别担任起偏振镜与检偏振镜的任务。可是，在自然界里到处存在着各式各样的天然起偏振镜，象空气分子、尘埃、烟雾，水中的微生物，地面上的各种矿石、玻璃、沥青、混疑土与金届等等，它们都能由于反射、折射、双折射与散射等作用将自然光改变为偏振光。因此，有时我们只要在仪器中装一块作检偏振镜用的偏振片就够了。例如，炫光往往是由各种光滑表面反射而来的镜式反射光和由粗糙表面反射而来的漫反射光重迭而成的。其中，漫反射光是极不规则的，它们极其复杂地自行交错迭加，因此在本质上是种非偏振光；然而，镜式反射光是经平面反射而成的，它至少已经是部分偏振化的了。10偏振太阳眼镜就是根据这个简单原理设计而成的(如图4-1)。它的外形跟普通眼镜完全一样，只是镜片是用人造偏振片做的，而且它们的偏振轴(图中以虚线代表)都被装在竖方向。因为它们能持水平方向的振动阻拦掉，所以戴上这种眼镜后，除非直接仰望耀眼的太阳或别的天然光源，就可以不受到从一切平面上，例如柏油路、人行道、湖面、冰雪与玻璃窗等表面上反射出米的、主要沿水平方向振动的那些炫光所苦恼。虽然偏振太阳镜跟普通眼镜的外形一样，但后者能将各种振动方向的光都普遍地加以吸收、削弱。 由于普通的太阳眼镜只能使总的光量变弱一些，因此在消除沿水平方向振动的炫光时，就不可避免地削弱了沿其他方向振动的光，从而使视场变得太暗。而光线过暗也会促使视觉疲劳、对人眼引起不良的影响。所以，只有偏振太阳眼镜才能两者兼顾、比较有效地保护人的眼睛。非偏振的太阳光偏振的炫光非偏振的漫反射光反射平面吸收炫光的偏振眼镜图 4-1 偏振太阳光眼镜4.1.2 立体图片与立体电影人的视觉之所以能分辨远近，是靠两只眼睛的差距。人的两眼分开约5公分，两只眼睛除了瞄准正前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，脑子就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。显然，同一物体在人的两只限晴中所成像的差别不会是很大的，可是它对于人的主观印象却有非常重要与显著的影响。从图4-2就可以了解造成这种结果的因。当用两眼同时观看一个正立立方体的时候，右眼视线加果是正好沿着正立方体左侧面S的方向，那么，当他闭上左眼而单独用右眼来看的时候，S面上的情形就完全看不见。然而，假使他闭起右眼、睁开左眼，他却能够很清楚地看见S面上的一切。所以，由于同一物体对左、右两眼的相对位置不同，在两眼视网膜上所造成的像是有差别的。这种同一物体在人的两眼视网膜上所造成有差别的像就使人产生了立体感觉。根据这一原理，如果把同一景像，用两只眼睛视角的差距制造出两个影像，然后让两只眼睛一边一个，各看到自己一边的影像，透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。各式各样的立体演示技术，也多是运用这一原理，我们称其为“偏光原理”。立体图片就是利用这个原理，在水平方向生成一系列重复的图案，在水平方向生成一系列重复的图案，当这些图案在两只眼中重合时，就看到了立体的影象。立体电影的制作有多种形式，其中较为广泛采用的是偏光眼镜法。它以人眼观察景物的方法，利用两台并列安置的电影摄影机，分别代表人的左、右眼，同步拍摄出两条略带水平视差的电影画面。放映时，将两条电影影片分别装入左、右电影放映机，并在放映镜头前分别装置两个偏振轴互成90度的偏振镜。两台放映机需同步运转，同时将画面投放在金属银幕上，形成左像右像双影。当观众戴上特制的偏光眼镜时，由于左、右两片偏光镜的偏振轴互相垂直，并与放映镜头前的偏振轴相一致；致使观众的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像，通过双眼汇聚功能将左、右像叠和在视网膜上，由大脑神经产生三维立体的视觉效果。展现出一幅幅连贯的立体画面，使观众感到景物扑面而来、或进入银幕深凹处，能产生强烈的“身临其境”感。4.2 现代科学技术中的应用4.2.1 偏振光显微镜偏振光显微镜是地质工作者用来鉴定矿石，研究品体光学件质的一种重要工具。这种显微镜的主要构造与般的显微照相同。它可以由一架普通显微镜，在物镜上下分别添装一个尼科耳棱镜或任何别的起偏振镜改装而成。图4-3是这种偏振光显微镜的简单剖面图。图中，及代表两个尼科耳棱镜，分别担任着起偏振镜与检偏振镜的职务；O与E各为目镜及物镜；B是一个可以上下移动的透镜；V代表镜筒上所开的隙缝；T为载物台；L为聚光镜；S是反光镜。s图4-2 同一物体在左右两眼中造成不同的像图4-3 偏振光显微镜当与的偏振轴互相垂直时，从日镜中看下去，整个视场是黑暗无光的。但是，如果在载物台T上放一些矿石的薄镜片，使穿过射来的偏振光遇到晶体而折射；这时，在目镜中所看见的不再是黑的了，而是一些悦目多彩的彩环。由于各种晶体的折射或双折射性质都各不相同，因此根据它们各自所形成的彩环性质(颜色与形状等等)，就可以很精确地鉴别矿石的种类，从而探究晶体的内部结构及成分等特性。4.2.2 偏振计与糖量计利用光的偏振性质而制成的许多仪器之中，偏振计与糖量计所占的地位也是相当重要的。从某些物质的旋光性，来精密地分析达些物质中的各种成分及其他性质时所用的仪器，叫做偏振计；其中，专门用来检验溶液中含糖量的，就称为糖量计。11糖量计的一种型式如图4-4(a)所示，它的前后两端各装着一块尼科耳棱镜，前面块对着钠焰灯当作起偏振镜，另一块对着观察着的眼睛作为检偏振镜，检偏振镜的偏振轴方向则是可以转动的。在起偏振镜与俭偏振镜中间还留看段空隙，以备安放盛满待测溶液的玻璃管。为了便于观察与比较，在般糖量计及偏振计中都还装看一块半影板，如图4-4(b)所示，它是由一片半圆形的玻璃和一片半圆形的水晶片所合成的；图中亮的半圆代表玻璃，另一半则为水晶。当直线偏振光（单色的）射达半影板时，透过玻璃的光的振动方向仍旧不改变；偏振光在射入半影板以前的振动力向如果是平行于OQ的，射出时就依然平行于OQ方向。可是，透过水晶的那一半，则出于水晶的旋光性，将使振动方向旋转一个角度，例如转到平行于OP的方向。因此，从检偏振镜里看出来，这时半影板两半的亮度便有了显著的差别。倘若转动检偏振镜，使它的偏振轴方向刚好在QOP角(即水晶片使偏振面旋转的角度) 的等分角线上，半影板上两半圆的亮度就又能重新相等起来。 在这样调整好以后，把要检验的旋光性液体装在玻管(糖液管)中，然后放在偏振光所通过的路程当中，使光线能够穿过它，于是OQ及OP的方向便都将被镕液旋转一个相同的角度，因而半影板两半圆的亮度也将再次显出有明暗的差异。于是，需要第二次重新调整检偏振镜的角度，再将整个半影板上两半片的亮度调整到一样。显