光的偏振及其應(yīng)用

一、光的偏振

自然光通過偏振片之后，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，也就是說，通過偏振片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。通過偏振片P的偏振光，再通過偏振片Q，如果兩個(gè)偏振片的透振方向平行，則可以通過;如果兩個(gè)偏振片的透振方向垂直，則不能透過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)反射光線與折射光線的夾角恰好是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)，反射光線與折射光線都是偏振光，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.汽車前燈和前窗玻璃用偏振玻璃防止強(qiáng)光

夜晚，汽車前燈發(fā)出的強(qiáng)光將迎面駛來的汽車司機(jī)照射得睜不開眼睛，嚴(yán)重影響行車安全。若考慮將汽車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)方汽車強(qiáng)光的刺激，也能看清自己車燈發(fā)出的光所照亮的物體。

例2.假設(shè)所有的汽車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)方汽車強(qiáng)光的刺激，也能看清自己車燈發(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燈發(fā)出的經(jīng)對(duì)面物體反射回來的光線，所以他自己車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)面車燈發(fā)出的強(qiáng)光，所以對(duì)面車燈玻璃的透振方向與他自己車窗玻璃的透振方向一定要垂直。滿足上述要求的只有D。

3.利用偏振光的旋光特性測(cè)量相關(guān)物理量

偏振光通過一些介質(zhì)后，其振動(dòng)方向相對(duì)原來的振動(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，“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”來測(cè)量糖溶液的濃度，從而鑒定含糖量。偏振光通過糖的水溶液后，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)過的角度等于α

分析：沒有被測(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，則偏振光通過光纖后的旋光度越大，通過檢偏器后光的強(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)字筆畫的形狀。外界的自然光通過第一塊偏振片后，成了偏振光，這束光在通過液晶時(shí)，如果上下兩液晶片間沒有電壓，光的偏振方向會(huì)被液晶旋轉(zhuǎn)90°，于是它能通過第二個(gè)偏振片。第二個(gè)偏振片的下面是反射鏡，光線被反射回來，這時(shí)液晶盒看起來是透明的。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，于是光線不能通過第二個(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)如果用眼睛直接觀看，看到的畫面是模糊不清的，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眾處，偏振光方向不改變。觀眾戴上透振方向互相垂直的偏振眼鏡觀看，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)映出的畫面，右眼只能看到右機(jī)映出的畫面，這樣就會(huì)像直接觀看那樣產(chǎn)生立體感覺。這就是立體電影的原理。