偏振光技术及其应用

偏振光技术及其应用作者：席晨霞学号：100104303班级：10级机械三班摘要：1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。1811年，布儒斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。在1863～1873年间，麦克斯韦在建立了光的电磁学理论，从本质上说明了光的偏振象。光的偏振性使人们对光的传播(反射、折射、吸收和散射)的规律有了新的认识，偏振光在国防、科研和日常生活中有着广泛的应用：海防前线用于观望的偏光望远镜、立体电影中的偏光眼镜、光纤通信系统都与偏振光有关，液晶光开关是根据其偏振特性来完成光交换的技术，偏振镜则是数码影像的基础。随着新概念的飞速发展，偏振光成为研究光学晶体、表面物理的重要手段，偏振光的应用与我们的生活息息相关。关键词：偏振光、应用和原理、摄影技术、科学技术PolarizedlighttechnologyanditsapplicationsName:XiChenXiaStudentID:100104303Class:10machinethreeshiftsAbstract:In1809,Mariusfoundintheexperimentsoflightpolarization.1811,Brewsterinthestudyofpolarizationphenomenafoundintheexperienceofthephenomenonoflightpolarizationlaws.In1863~1873,theestablishmentofaMaxwell'selectromagnetictheoryoflight,essentiallyshowsthepolarizationoflightlike.Polarizationofthetransmittedlightsothatpeople(reflection,refraction,absorptionandscattering)anewunderstandingofthelaw,polarizedlightinthedefense,researchanddailylifeofawiderangeofapplications:coastallineofpolarizedlightforwatchingtelescope,three-dimensionalmoviesofpolarizedglasses,polarizedlightopticalfibercommunicationsystemsandrelatedliquidcrystalopticalswitchisdoneaccordingtoitspolarizationpropertiesofopticalswitchingtechnology,polarizationmicroscopyisthebasisofdigitalimaging.Withtherapiddevelopmentofnewconcepts,astudyofpolarizedopticalcrystal,animportantmeansofsurfacephysics,theapplicationofpolarizedlightwithourlives.Keywords:polarization,applicationandtheory,scienceandtechnology引言随着当代科技的快速发展，偏振光技术应用已经在现在的科学技术中起到重要作用，从本质上讲，当自然光穿过或投射到某些物体表面后，其投射光或反射光、散射光可能被限制在某一垂直平面内振动，而其他方向上的振动则被大大削弱乃至完全消除，这种只在某一平面内振动的光波被称为偏振光。在现代生活中，偏振光应用已经完全融入我们的生活，我们时刻都和光学应用有着密不可分的关系，这就更加体现了偏振光应用对我们的生活的重要意义。正文1偏振光的介绍光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，光的偏振现象则表明了光及所有电磁波是横波。因为光波是横波，所以光波中光矢量的振动方向总是和光的传播方向相垂直。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。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,偏振光又可分为平面偏振光（线偏光）、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。如果光波电矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，则这种偏振光称为平面偏振光，若轨迹在传播过程中为一直线，故又称线偏振光。如果光波电矢量随时间作有规则地改变，即电矢量末端轨迹在垂直轨迹在传播过程中为一直线，故又称线偏振光。如果光波电矢量随时间作有规则地改变，即电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形,则称为圆偏振光或椭圆偏振光。如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势，这种偏振光就称为部分偏振光。2光的偏振现象在生活中的应用2.1立体电影中的应用现在立体电影是很受大家欢迎的。观看时，观众要戴上一副特制的眼镜，而这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。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，通过两台放映机，把用两台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．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，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透振方向互相垂直，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，偏振方向不改变．观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图像，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物体那样产生立体感觉．这就是立体电影的原理．2.2偏光太阳镜上的应用夏天的阳光一定给你留下了深刻的影响，那么出门的时候太阳眼镜就不得不带着了。偏光太阳镜能阻挡令人不舒服的强光，同时还可以保护眼睛免受紫外线的伤害。另一个重要的保护机理就涉及到光的偏振现象。柏油路的反射光是部分偏振光。偏光镜片在阻挡反射光时特别有效，这种镜片只让朝一定方向震动的偏振波通过。对于道路反光问题，使用偏光太阳镜能减少光的透射，因为它不让与道路平行震动的光波通过。事实上，过滤层的长分子被导向水平方向，可以吸收水平偏振光线。这样，大部分的反射光就被消除掉了，而周围环境的整个照明度并未减少。2.3摄影技术里的应用2.3.1利用偏振镜调节非金属表面的亮斑光束投射到平滑的非金属表面（如光滑的油漆面或绸缎面）时，一般会形成明亮的单向反射光，这种单向反射光往往是画面的最高亮度，丰富了画面的影调，增加了画面的感染力。但是，当画面中的亮度过大或者位置不当，将妨碍正确地再现物体表面质感或有损整个画面影调时，应对亮斑进行处理。然后在照相物镜前加上偏振镜，并将偏振镜旋转到合适的角度拍摄，这样可以去掉亮斑，再现物体的质感，使整个画面的影调和色彩符合拍摄者的拍照意图。2.3.2利用偏振镜消除、减淡透明物表面的亮斑当光束投射到玻璃表面或水面时，一般容易出现两种情况：一是表面的单向反射亮斑，使拍摄时影像清晰度降低，反差减小。二是表面单向反射亮斑妨碍拍摄玻璃覆盖下或水面以下的物体。使用偏振镜拍摄时，可以既消除或减弱表面单向反射光斑，又可以保留玻璃表面覆盖下或水面下物体的影像，提高画面的清晰度和影像的质量。如在公园清澈的水塘中飘荡着漂亮的水草，用相机拍照的最大问题是水表面反射的光线使人看不清水下的水草。根据布儒斯特定律，自然光经水面反射后是部分偏振光，而在布儒斯特角时是平面偏振光，水的折射率为1.33，相应的布儒斯特角为i0=53°。在相机的镜头前加上偏光镜，摄影者在岸上将相机以53°左右（估计）对准水面，旋转镜头前的偏光镜，使其偏振化方向与反射光的偏振面垂直拍照（此时，在取景器中看到水中的物体最清楚），则可大大减小反射光的影响，拍到清晰的水草照片。2.3.3利用偏振镜增强彩色影像的色彩饱和度物体表面的单向反射所形成的亮斑，在一定程度上能使画面产生较为生动的效果，但这种亮斑同时也能使该物表面局部失去质感，明显的降低彩色影像的饱和度。形成这种亮斑的单向反射光，多具有偏振性质，运用偏振镜来减弱或消除这些亮斑，可以不同程度的甚至明显的改善影像的色彩饱和度。2.3.4利用偏振光控制天空亮度在现场白昼光的光照条件下进行彩色照相，可选择南北方向、顺光方向或与太阳光投射方向成90°的蓝色天空为背景，在照相物镜前套用偏振镜，转动偏振镜的轴线方向并观察影像，直到把天空亮度控制到合适的明亮程度之后再拍照。这样，既可降低天空反射光使天空的影调更蓝、色调更饱和，可以获得较好的效果。2.4在医学领域的应用人体组织的偏振性质人体组织，多数也不是各向同向性的物质，在一些透明的组织，这种各向异向的特点表现得更为明显。角膜的双折射几乎是线性的，对偏振光相位的延迟量在中心处近似为常数，沿半径方向向边缘逐渐增大，左右眼的延迟性对称。角膜基本上不会对入射的完全偏振光去偏。晶状体的延迟非常小，并且从晶状体的中心到边缘逐渐减小。晶状体的双折射是线性的，但是具有沿半径向外减小的空间相关性。对于视网膜的偏振特性是研究最多的，视网膜的双折射主要来自于视网膜神经纤维层（RNFL），平行和垂直于RNFL偏振反射光由于RNFL的双折射特性而具有相位差，也就是偏振光相位的延迟量，这一延迟量与RNFL的厚度成正比。房水作为一种生物体内的溶液，也具有旋光性，旋光率与溶液的浓度成正比。对于房水，主要的可变溶质是葡萄糖，所以房水的延迟量是与葡萄糖浓度相关的。眼科方面：在眼科中的应用偏振光的各种性质最早被应用于眼科，其中最常用的是利用视网膜神经纤维层的双折射性质来测量其厚度。视网膜的双折射主要来自于视网膜神经纤维层（RNFL），平行和垂直于RNFL偏振反射光由于RNFL的双折射特性而具有相位差，也就是偏振光相位的延迟量，这一延迟量与RNFL的厚度成正比。Weinreb等人改进了扫描激光偏振检眼镜，测量了猴眼的眼底，并其视网膜神经纤维层做了组织学切片，对照其厚度与偏振延迟度，Weinreb发现1度的延迟对应于约7.4μm的RNFL厚度，并且有很好的线性相关性。相应的结果在人体也存在。于是基于双折射的RNFL厚度分析开始了大规模的研究，到目前已经有实用的设备应用于临床，例如GDx和RTA。对于角膜的偏振特性的研究使角膜的厚度分析也成为可能，由于角膜屈光手术的飞速发展，这一类的研究正逐渐成为偏振光研究的热点。眼球作为一个透明组织，可以表现许多的全身疾病症状，也可以成为检测全身疾病指标的一个窗口。房水也具有旋光性，旋光率的变化主要由溶解的葡萄糖浓度决定，所以房水的延迟量是与葡萄糖浓度相关的，通过测量房水的延迟量可以推算出房水中葡萄糖浓度，也就可以间接测量血糖浓度。这是一个完全非侵入性的检查手段，也为各种生化检查打开了新的思路。未来的应用可以看出偏振光还有许多诱人的特性没有应用在眼科领域。从偏振片的遮光作用到场致双折射性质，以及液晶这一受控偏振材料。偏振的研究在眼科还是大有所为。2.5鉴别材料方向的应用2.5.1夹杂物各向同性与各向异性的鉴别夹杂物按光学性质可分为各向异同性和各几异性两大类，这两类夹杂物可在偏振光下鉴别。各向同性的夹杂物在正交偏振光下，看到黑暗的消光现象，在转动载物台一周(360°)时，其亮度不发生变化。各向异性的夹杂物在正交偏振光下不发生消光现象，在转动载物台一周(360°)时会看到四次消光和四次最亮的现象。对某些弱各向异性的夹杂物，可使检偏振镜转动一个小的角度θ，在偏振镜下完全正交下观察。在转动载物台时，弱各向异性的夹杂物出现两次消光和两次最亮的现象。2.5.2各向异性材料组织的显示根据偏振光的反射原理，在各向异性的金属内部由于各晶粒的位向不同，干涉后的偏振光的振动方向的偏转角度不同，在正交的偏振光下则可以显示出不同的亮度。具有同样亮度的晶粒光轴一席话同接近，所以根据晶粒的明暗程度还可以判断晶