光的偏振及其應(yīng)用

一、光的偏振

自然光通過(guò)偏振片之后，只有振動(dòng)方向與偏振片的透振方向一致的光才能順利通過(guò)，也就是說(shuō)，通過(guò)偏振片P的光波，在垂直于傳播方向的平面上，沿著某個(gè)特定的方向振動(dòng)，這種光叫偏振光。通過(guò)偏振片P的偏振光，再通過(guò)偏振片Q，如果兩個(gè)偏振片的透振方向平行，則可以通過(guò);如果兩個(gè)偏振片的透振方向垂直，則不能透過(guò)Q(如圖-1所示)。根據(jù)偏振光的這個(gè)特性，在實(shí)際中有很多用途。

二、光的偏振的應(yīng)用

1.在攝影鏡頭前加上偏振鏡消除反光

自然光在玻璃、水面、木質(zhì)桌面等表面反射時(shí)，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角變化時(shí)，偏振的程度也有變化。在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會(huì)出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于反射光波的干擾而引起的。如果在拍攝時(shí)加用偏振鏡，并適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡片，讓它的透振方向與反射光的透振方向垂直，就可以減弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。

例1.下列說(shuō)法正確的是(　　)

A.拍攝藍(lán)天白云相片時(shí)，可以加用偏振鏡片，突出藍(lán)天中的白云

B.一束自然光入射到兩種介質(zhì)的分界面上，當(dāng)反射光線(xiàn)與折射光線(xiàn)的夾角恰好是90°時(shí)，反射光和折射光都是偏振光

C.日落時(shí)分，拍攝水面下的景物，在照相機(jī)鏡頭前裝上偏振濾光片可以使景物更清晰

D.拍攝玻璃櫥窗里的陳列物時(shí)，照相機(jī)鏡頭前的偏振片的透振方向應(yīng)與反射光的振動(dòng)方向平行

分析：由于藍(lán)天中存在大量的偏振光，所以用偏振鏡能夠調(diào)節(jié)天空的亮度，加用偏振鏡以后，藍(lán)天會(huì)變暗，從而突出了藍(lán)天中的白云，所以A正確;自然光射到界面上時(shí)，反射光線(xiàn)與折射光線(xiàn)都是偏振光，當(dāng)反射光和折射光的夾角為90°時(shí)，偏振程度最大，且兩束光的振動(dòng)方向垂直，所以B正確;拍攝水面下或玻璃櫥窗內(nèi)的景物時(shí)，應(yīng)使偏振片的透振方向與反射光的振動(dòng)方向垂直，這樣反射光不能進(jìn)入鏡頭，所以C正確，D錯(cuò)誤。正確答案ABC。

2.汽車(chē)前燈和前窗玻璃用偏振玻璃防止強(qiáng)光

夜晚，汽車(chē)前燈發(fā)出的強(qiáng)光將迎面駛來(lái)的汽車(chē)司機(jī)照射得睜不開(kāi)眼睛，嚴(yán)重影響行車(chē)安全。若考慮將汽車(chē)前燈玻璃改用偏振玻璃，使射出的燈光變?yōu)槠窆?同時(shí)汽車(chē)前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向恰好與燈光的振動(dòng)方向垂直，這樣司機(jī)不僅可以防止對(duì)方汽車(chē)強(qiáng)光的刺激，也能看清自己車(chē)燈發(fā)出的光所照亮的物體。

例2.假設(shè)所有的汽車(chē)前窗玻璃和前燈玻璃均按同一要求設(shè)置，使司機(jī)不僅可以防止對(duì)方汽車(chē)強(qiáng)光的刺激，也能看清自己車(chē)燈發(fā)出的光所照亮的物體。以下措施中可行的是(　　)

A.前窗玻璃的透振方向是豎直的，車(chē)燈玻璃的透振方向是水平的

B.前窗玻璃的透振方向是豎直的，車(chē)燈玻璃的透振方向也是豎直的

C.前窗玻璃的透振方向是斜向右上45°，車(chē)燈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°，車(chē)燈玻璃的透振方向也是斜向右上45°

分析：首先，司機(jī)要能夠看清楚自己車(chē)燈發(fā)出的經(jīng)對(duì)面物體反射回來(lái)的光線(xiàn)，所以他自己車(chē)燈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，他不能看到對(duì)面車(chē)燈發(fā)出的強(qiáng)光，所以對(duì)面車(chē)燈玻璃的透振方向與他自己車(chē)窗玻璃的透振方向一定要垂直。滿(mǎn)足上述要求的只有D。

3.利用偏振光的旋光特性測(cè)量相關(guān)物理量

偏振光通過(guò)一些介質(zhì)后，其振動(dòng)方向相對(duì)原來(lái)的振動(dòng)方向會(huì)發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的這個(gè)角度叫旋光度，旋光度與介質(zhì)的濃度、長(zhǎng)度、折射率等因素有關(guān)。測(cè)量旋光度的大小，就可以知道介質(zhì)相關(guān)物理量的變化。

例3.一段時(shí)間以來(lái)，“假奶粉事件”鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，奶粉的碳水化合物(糖)的含量是一個(gè)重要的指標(biāo)，可以用“旋光法”來(lái)測(cè)量糖溶液的濃度，從而鑒定含糖量。偏振光通過(guò)糖的水溶液后，偏振方向會(huì)相對(duì)傳播方向向左或向右旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α，這一角度α稱(chēng)為“旋光度”，α的值只與糖溶液的濃度有關(guān)，將α的測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，就能確定被測(cè)樣品的含糖量。如圖所示，S是自然光源，A、B是偏振片，轉(zhuǎn)動(dòng)B，使到達(dá)O處的光最強(qiáng)，然后將被測(cè)樣品P置于A.B之間，則下列說(shuō)法正確的是(　　)

A.到達(dá)O處光的強(qiáng)度會(huì)明顯減弱

B.到達(dá)O處光的強(qiáng)度不會(huì)明顯減弱

C.將偏振片B轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，使得O處光強(qiáng)度最大，偏振片B轉(zhuǎn)過(guò)的角度等于α

D.將偏振片A轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，使得O處光強(qiáng)度最大，偏振片A轉(zhuǎn)過(guò)的角度等于α

分析：沒(méi)有被測(cè)樣品時(shí)，A、B透振方向平行，O處光最強(qiáng)，當(dāng)加上被測(cè)樣品時(shí)，由于旋光作用，偏振光的振動(dòng)方向會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，即振動(dòng)方向與B的透振方向不平行，所以O(shè)處光的強(qiáng)度會(huì)明顯減弱;要想使O處的光仍最強(qiáng)，可以旋轉(zhuǎn)B一個(gè)角度或反方向旋轉(zhuǎn)A相同角度。正確答案ACD。

例4.如圖-3所示為一種利用光纖溫度傳感器測(cè)量溫度的裝置，一束偏振光射入光纖，由于溫度的變化，光纖的長(zhǎng)度、芯徑、折射率均發(fā)生變化，從而使偏振光的透振方向發(fā)生變化，光接收器接收到的光的強(qiáng)度就會(huì)變化。關(guān)于這種溫度計(jì)的工作原理，以下說(shuō)法正確的是(　　)

A.到達(dá)檢偏器的光的透振方向變化越大，光接收器所接收的光的強(qiáng)度就會(huì)減小，表示溫度變化越大

B.到達(dá)檢偏器的光的透振方向變化越小，光接收器所接收的光的強(qiáng)度就會(huì)減小，表示溫度變化越大

C.到達(dá)檢偏器的光的透振方向變化越小，光接收器所接收的光的強(qiáng)度就會(huì)減小，表示溫度變化越小

D.到達(dá)檢偏器的光的透振方向變化越大，光接收器所接收的光的強(qiáng)度就會(huì)減小，表示溫度變化越小

分析：若待測(cè)物體的溫度越高，則偏振光通過(guò)光纖后的旋光度越大，通過(guò)檢偏器后光的強(qiáng)度就會(huì)越小。正確答案為A。

4.利用光的偏振制成液晶顯示器

如圖-4所示為電子手表等的液晶顯示器，兩塊透振方向互相垂直的偏振片當(dāng)中插進(jìn)一個(gè)液晶盒，盒內(nèi)液晶層的上下是透明的電極板，它們刻成了數(shù)字筆畫(huà)的形狀。外界的自然光通過(guò)第一塊偏振片后，成了偏振光，這束光在通過(guò)液晶時(shí)，如果上下兩液晶片間沒(méi)有電壓，光的偏振方向會(huì)被液晶旋轉(zhuǎn)90°，于是它能通過(guò)第二個(gè)偏振片。第二個(gè)偏振片的下面是反射鏡，光線(xiàn)被反射回來(lái)，這時(shí)液晶盒看起來(lái)是透明的。但如果在上下兩個(gè)電極間有一定大小的電壓時(shí)，液晶的性質(zhì)就改變了，旋光性消失，于是光線(xiàn)不能通過(guò)第二個(gè)偏振片，這個(gè)電極下的區(qū)域就變暗，于是就顯示出了數(shù)字。

5.使用偏振片觀(guān)看立體電影

立體電影是用兩個(gè)鏡頭如人眼那樣從兩個(gè)不同方向同時(shí)拍攝下景物的像，制成電影膠片。在放映時(shí)，通過(guò)兩個(gè)放映機(jī)，把用兩個(gè)攝影機(jī)拍下的兩組膠片同步放映，使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上，如圖-5所示。這時(shí)如果用眼睛直接觀(guān)看，看到的畫(huà)面是模糊不清的，要看到立體電影，就要在每架電影機(jī)前裝一塊偏振片，它的作用相當(dāng)于起偏器。從兩架放映機(jī)射出的光，通過(guò)偏振片后，就成了偏振光。左右兩架放映機(jī)前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直。這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀(guān)眾處，偏振光方向不改變。觀(guān)眾戴上透振方向互相垂直的偏振眼鏡觀(guān)看，每只眼睛只看到相應(yīng)的偏振光圖象，即左眼只能看到左機(jī)映出的畫(huà)面，右眼只能看到右機(jī)映出的畫(huà)面，這樣就會(huì)像直接觀(guān)看那樣產(chǎn)生立體感覺(jué)。這就是立體電影的原理。