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偏振光(Polarization),光學名詞。光是一種電磁波,電磁波是橫波。而振動方向和光波前進方向構成的平面叫做振動面,光的振動面只限於某一固定方向的,叫做平面偏振光或線偏振光。

1定義

振動方向對於傳播方向的不對稱性叫做偏振,它是橫波區別於其他縱波的一個最明顯的標誌,只有橫波才有偏振現象。光波是電磁波,因此,光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向。光波中的電振動矢量E和磁振動矢量H都與傳播速度v垂直,因此光波是橫波,它具有偏振性。具有偏振性的光則稱為偏振光。

2檢測

光的偏振現象可以藉助於實驗裝置進行檢測,P1、P2是兩塊同樣的偏振片。通過一片偏振片p1直接觀察自然光(如燈光或陽光),透過偏振片的光
偏振光原理

  偏振光原理

雖然變成了偏振光,但由於人的眼睛沒有辨別偏振光的能力,故無法察覺。如果我們把偏振片P1的方位固定,而把偏振片P2緩慢地轉動,就可發現透射光的強度隨著P2轉動而出現周期性的變化,而且每轉過90°就會重複出現發光強度從最大逐漸減弱到最暗;繼續轉動P2則光強又從接近於零逐漸增強到最大。由此可知,通過P1的透射光與原來的入射光性質是有所不同的,這說明經P1的透射光的振動對傳播方向不具有對稱性。
自然光經過偏振片后,改變成為具有一定振動方向的光。這是由於偏振片中存在著某種特徵性的方向,叫做偏振化方向,偏振片只允許平行於偏振化方向的振動通過,同時過濾掉垂直於該方向振動的光。通過偏振片的透射光,它的振動限制在某一振動方向上,我們把第一個偏振片P1叫做「起偏器」,它的作用是把自然光變成偏振光,但是人的眼睛不能辨別偏振光。必須依靠第二片偏振片P2去檢查。旋轉P2,當它的偏振化方向與偏振光的偏振面平行時,偏振光可順利通過,這時在P2的後面有較亮的光。當P2的偏振方向與偏振光的偏振面垂直時,偏振光不能通過,在P2後面也變暗。第二個偏振片幫助我們辨別出偏振光,因此它也稱為「檢偏器」。

3分類

偏振光是指光矢量的振動方向不變,或具有某種規則地變化的光波。按照其性質,偏振光又可分為平面偏振光(線偏振光)、圓偏振光和橢圓偏振光、部分偏振光幾種。如果光波電矢量的振動方向只局限在一確定的平面內,則這種偏振光稱為平面偏振光,若軌跡在傳播過程中為一直線,故又稱線偏振光。如果光波
偏振光

  偏振光

電矢量隨時間作有規則地改變,即電矢量末端軌跡在垂直於傳播方向的平面上呈圓形或橢圓形,則稱為圓偏振光或橢圓偏振光。如果光波電矢量的振動在傳播過程中只是在某一確定的方向上佔有相對優勢,這種偏振光就稱為部分偏振光。
完全偏振光
(a)線偏振光
偏振光

  偏振光

光矢量端點的軌跡為直線,即光矢量只沿著一個確定的方向振動,其大小、方向不變,稱為線偏振光。
(b)橢圓偏振光
光矢量端點的軌跡為一橢圓,即光矢量不斷旋轉,其大小、方向隨時間有規律的變化。
(c)圓偏振光
光矢量端點的軌跡為一圓,即光矢量不斷旋轉,其大小不變,但方向隨時間有規律地變化。
橢圓偏振光
橢圓偏振光指的是在光的傳播方向上,任意一個場點電矢量既改變它的大小又以角速度ω(即光波的圓頻率)均勻轉動它的方向,或者說電矢量的端點在波面內描繪出一個橢圓。而圓偏振光指的是在光的傳播方向上任意一個場點電矢量以角速度ω勻速轉動它的方向但大小不變,或者說,電矢量的端點在波面內描繪出一個圓,實際上圓偏振光是橢圓偏振光的一個特例。

4產生機理

方法一
通過反射、多次折射、雙折射和選擇性吸收的方法可以獲得平面偏振光。可採用具有選擇吸收的偏振片產生平面偏振光。
方法二
偏振片是用人工方法製成的薄膜,是用特殊方法使選擇性吸收很強的微粒晶體在透明膠層中作有規則排列而製成的,它允許透過某一電矢量振動方向的光(此方向稱為偏振化方向),而吸收與其垂直振動的光,即具有二向色性. 因此自然光通過偏振片后,透射光基本上成為平面偏振光。由於偏振片易於製作,所以它是普遍使用的偏振器。

5特性

偏振光示意圖

  偏振光示意圖

橫波有一個特性,就是它的振動是有極性的。在與傳播方向垂直的平面上,它可以向任一方向振動。一般把光波電場振動方向作為光振動方向。如果一束光線都在同一方向上振動,就稱它們是偏振光,或嚴格一點,稱為完全偏振光。一般的自然光在各個方向振動是均勻分佈的,是非偏振光。但是,光滑的非金屬表面在一定角度下(稱為布儒斯特角,與物質的折射率有關)反射形成的眩光是偏振光。偏離了這個角度,就會有部分非偏振光混雜在偏振光里。我們稱這種光線為部分偏振光。部分偏振光是有程度的。偏離的角度越大,偏振光的成分越少,最終成為非偏振光。

6應用

觀看立體電影
立體電影

  立體電影

在拍攝立體電影時,用兩個攝影機,兩個攝影機的鏡頭相當於人的兩隻眼睛,它們同時分別拍下同一物體的兩個畫像,放映時把兩個畫像同時映在銀幕上。如果設法使觀眾的一隻眼睛只能看到其中一個畫面,就可以使觀眾得到立體感。為此,在放映時,兩個放像機每個放像機鏡頭上放一個偏振片,兩個偏振片的偏振化方向相互垂直,觀眾戴上用偏振片做成的眼鏡,左眼偏振片的偏振化方向與左面放像機上的偏振化方向相同,右眼偏振片的偏振化方向與右面放像機上的偏振化方向相同,這樣,銀幕上的兩個畫面分別通過兩隻眼睛觀察,在人的腦海中就形成立體化的影像了。
測量相關物理量
偏振光通過一些介質后,其振動方向相對原來的振動方向會發生一定角度的旋轉,旋轉的這個角度叫旋光度,旋光度與介質的濃度、長度、折射率等因素有關。測量旋光度的大小,就可以知道介質相關物理量的變化。
LCD液晶屏
LCD液晶屏

  LCD液晶屏

LCD技術是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是說,若一個平面上的分子南北向排列,則另一平面上的分子東西向排列,而位於兩個平面之間的分子被強迫進入一種90度扭轉的狀態。由於光線順著分子的排列方向傳播,所以光線經過液晶時也被扭轉90度。但當液晶上加一個電壓時,分子便會重新垂直排列,使光線能直射出去,而不發生任何扭轉。
LCD是依賴極化濾光器(片)和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機發散的。極化濾光器實際是一系列越來越細的平行線。這些線形成一張網,阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個垂直,所以能完全阻斷那些已經極化的光線。只有兩個濾光器的線完全平行,或者光線本身已扭轉到與第二個極化濾光器相匹配,光線才得以穿透。
LCD正是由這樣兩個相互垂直的極化濾光器構成,所以在正常情況下應該阻斷所有試圖穿透的光線。但是,由於兩個濾光器之間充滿了扭曲液晶,所以在光線穿出第一個濾光器后,會被液晶分子扭轉90度,最後從第二個濾光器中穿出。另一方面,若為液晶加一個電壓,分子又會重新排列並完全平行,使光線不再扭轉,所以正好被第二個濾光器擋住。總之,不加電將光線射出,加電則使光線阻斷。

醫療

運動性疼痛——各種亞急性慢性肌肉痛和關節痛;各種骨關節退行性病變所致的疼痛:頸椎病、肩周炎、肱骨外上髁炎;腰椎間盤突出症、膝關節骨性關節炎、足跟痛與足底痛及各種關節炎等;
紅外偏振光治療的特點:
①無損傷,②無痛苦,③無感染危險,④治療時間短,⑤無副作用及併發症,⑥適應範圍廣,⑦作為神經阻滯的輔助療法或替代療法。
偏振光可用於對藥物有變態反應的高齡、出血性疾病等不宜神經阻滯的患者。可與各種藥物療法並用。操作者無須較高的醫療技術,在醫師指導下護士即可完成局部普通照射操作。
激光是單色線性偏振光,紅外偏振光是寬譜橢圓偏振光,類似於不同波段低功率激光的複合應用。試驗證明,不同波段激光複合應用的療效多優於單一激光。

7人的感知

人類對偏振光的感知能力,是因為有一種叫做葉黃素的化學物質,在視網膜上一個叫做黃斑的區域,呈同心圓樣排列著。葉黃素在自然界中廣泛存在,分子結構纖細苗條。這種貌似普通的化學物質,有著一種特殊的光學性質:當它的長軸和偏振光振動方向平行,葉黃素將會吸收射入光線中的藍光。
葉黃素在黃斑的分佈

  葉黃素在黃斑的分佈

這樣,經過B區域的葉黃素的過濾,顯示器散發的垂直白色偏振光,將以黃色——藍色的互補色——投射在視網膜感光細胞上。因此看到兩把水平黃刷子。而垂直部分(A區域),一切照常,但是由於心理性成像(psychological vision),這部分將形成更是微弱難辨的藍色刷子。大部分人經過「看刷子訓練」,都可以看到這個微弱的影像。
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