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偏振光

偏振光( polarized light ),光学名词。光是一种电磁波,电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面,光的振动面只限于某一固定方向的,叫做平面偏振光或线偏振光

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志,只有横波才有偏振现象。光波是电磁波,因此,光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直,因此光波是横波,它具有偏振性。 [1] 具有偏振性的光则称为偏振光。

光的偏振现象可以借助于实验装置进行检测,P1、P2是两块同样的偏振片。通过一片偏振片p1直接观察自然光(如灯光或阳光),透过偏振片的光虽然变成了偏振光,但由于人的眼睛没有辨别偏振光的能力,故无法察觉。如果我们把偏振片P1的方位固定,而把偏振片P2缓慢地转动,就可发现透射光的强度随着P2转动而出现周期性的变化,而且每转过90°就会重复出现发光强度从最大逐渐减弱到最暗;继续转动P2则光强又从接近于零逐渐增强到最大。由此可知,通过P1的透射光与原来的入射光性质是有所不同的,这说明经P1的透射光的振动对传播方向不具有对称性

自然光经过偏振片后,改变成为具有一定振动方向的光。这是由于偏振片中存在着某种特征性的方向,叫做偏振化方向,偏振片只允许平行于偏振化方向的振动通过,同时过滤掉垂直于该方向振动的光。通过偏振片的透射光,它的振动限制在某一振动方向上,我们把第一个偏振片P1叫做“起偏器”,它的作用是把自然光变成偏振光,但是人的眼睛不能辨别偏振光。必须依靠第二片偏振片P2去检查。旋转P2,当它的偏振化方向与偏振光的偏振面平行时,偏振光可顺利通过,这时在P2的后面有较亮的光。当P2的偏振方向与偏振光的偏振面垂直时,偏振光不能通过,在P2后面也变暗。第二个偏振片帮助我们辨别出偏振光,因此它也称为“检偏器”。

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振光)、圆偏振光椭圆偏振光、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,因为振动的方向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。

自然光

光波是横波,即光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。通常,光源发出的光波,其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向,但统计平均来说,在空间所有可能的方向上,光波矢量的分布可看作是机会均等的,它们的总和与光的传播方向是对称的,即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同,这种光就称为自然光

完全偏振光

(a)线偏振光

光矢量端点的轨迹为直线,即光矢量只沿着一个确定的方向振动,其大小随相位变化、方向不变,称为线偏振光。

(b)椭圆偏振光

光矢量端点的轨迹为一椭圆,即光矢量不断旋转,其大小、方向随时间有规律的变化。

(c)圆偏振光

光矢量端点的轨迹为一圆,即光矢量不断旋转,其大小不变,但方向随时间有规律地变化。

部分偏振光

在垂直于光传播方向的平面上,含有各种振动方向的光矢量,但光振动在某一方向更显著,不难看出,部分偏振光是自然光和完全偏振光的叠加。

方法一

通过反射、多次折射、双折射和选择性吸收的方法可以获得平面偏振光。可采用具有选择吸收的偏振片产生平面偏振光。

方法二

偏振片是用人工方法制成的薄膜,是用特殊方法使选择性吸收很强的微粒晶体在透明胶层中作有规则排列而制成的,它允许透过某一电矢量振动方向的光(此方向称为偏振化方向),而吸收与其垂直振动的光,即具有二向色性. 因此自然光通过偏振片后,透射光基本上成为平面偏振光。由于偏振片易于制作,所以它是普遍使用的偏振器。

横波有一个特性,就是它的振动是有极性的。在与传播方向垂直的平面上,它可以向任一方向振动。一般把光波电场振动方向作为光振动方向。如果一束光线都在同一方向上振动,就称它们是偏振光,或严格一点,称为完全偏振光。一般的自然光在各个方向振动是均匀分布的,是非偏振光。但是,光滑的非金属表面在一定角度下(称为布儒斯特角,与物质的折射率有关)反射形成的眩光是偏振光。偏离了这个角度,就会有部分非偏振光混杂在偏振光里。我们称这种光线为部分偏振光。部分偏振光是有程度的。偏离的角度越大,偏振光的成分越少,最终成为非偏振光。

分子的手性和旋光活性

当分子中的一个碳原子与四个不同的基团连接时,这个化合物可能有两种不同的排列方式。

如图可知,以上两个分子在空间不能重叠,它们并不是同一种化合物,

这两个构型化合物的不同表现在对平面偏振光的不同影响。手性实际上是指两个化合物互为实物与镜像关系,不能重合的性质。

旋光活性:使偏振光的振动面发生旋转的性质。具有手性的分子具有旋光活性。见图。

同分异构现象的分类

分子的同分异构现象可以分为两类:构造异构和立体异构。构造异构又可以分为碳链异构,位置异构和官能团异构;立体异构可以分为构型异构和构象异构;其中,构型异构又可以分为顺反异构(几何异构)和对映异构(旋光异构)。

旋光度和比旋光度

由物质的旋光性可以将物质分为两类:一类是可以使平面偏振光振动面发生旋转的物质,叫做旋光性物质;另一类是是不能使平面偏振光振动面发生旋转的物质,是非旋光性物质。

旋光物质使偏振光旋转的角度叫做旋光度,以“α”表示。顺时针,表示右旋,用+表示;逆时针,表示左旋,用-表示。但旋光度α受到温度,光源,浓度等的影响,因此,用另一个量来描述物质的旋光性,即比旋光度。比旋光度一般用[a]表示,即单位浓度和单位长度下的旋光度,是旋光物质的特征物理常数。在实际工作中,常常可以用不同长度的旋光管和不同的样品浓度测定某物质溶液的旋光度α,并按下式进行换算得出该物质的比旋光度[α]。

[α] = 100α/ l* C

式中:C--溶液的浓度(g/100mL);l--旋光管长度(dm)。

若被测物质是纯液体,则按下式进行换算。

[α] = α/ l* ρ

式中:ρ--液体的密度。

除此之外,有的文献采用分子比旋光度m来表示物质的旋光性质。分子比旋光度与比旋光度的换算公式如下:

[m]=([α]*相对分子质量)\100

旋光性物质的旋光度和旋光方向可用旋光仪进行测定。因偏振光的波长和测定时的温度对比旋光度也有影响,故表示比旋光度时,还要把温度及光源的波长标出,将温度写在[α]的右上角,波长写在右下角。溶剂对比旋光度也有影响,故也要注明所用溶剂。例如某物质的比旋光度为:[α]20D = 98.3(C=1,CH3OH),这说明该物质的比旋光度为右旋98.3,测定时的温度为20℃,使用D钠光,溶剂为甲醇,溶液浓度为1-。 [2]

汽车车灯

汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时,为了避免双方车灯的眩目,司机都关闭大灯,只开小灯,放慢车速,以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片,而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角,那么,司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光,而看不到对面车灯的光,这样,汽车在夜间行驶时,既不要熄灯,也不要减速,可以保证安全行车。

另外,在阳光充足的白天驾驶汽车,从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光,常会使眼睛睁不开。由于光是横波,所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此,只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。 [3]

观看立体电影

在拍摄立体电影时,用两个摄影机,两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛,它们同时分别拍下同一物体的两个画像,放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面,就可以使观众得到立体感。为此,在放映时,两个放像机每个放像机镜头上放一个偏振片,两个偏振片的偏振化方向相互垂直,观众戴上用偏振片做成的眼镜,左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同,右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同,这样,银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察,在人的脑海中就形成立体化的影像了。 [3]

摄像机镜头

自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时,反射光和折射光都是偏振光,而且入射角变化时,偏振的程度也有变化。在拍摄表面光滑的物体,如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等,常常会出现耀斑或反光,这是由于反射光波的干扰而引起的。如果在拍摄时加用偏振镜,并适当地旋转偏振镜片,让它的透振方向与反射光的透振方向垂直,就可以减弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。 [3]

测量相关物理量

偏振光通过一些介质后,其振动方向相对原来的振动方向会发生一定角度的旋转,旋转的这个角度叫旋光度,旋光度与介质的浓度、长度、折射率等因素有关。测量旋光度的大小,就可以知道介质相关物理量的变化 [3]

生物生理机能

人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的,但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支单眼、两支复眼,每个复眼包含有6300个小眼,这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位,然后以太阳为定向标来判断方向,所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。

再如在沙漠中,如果不带罗盘,人是会迷路的,但是沙漠中有一种蚂蚁,它能利用天空中的紫外偏光导航,因而不会迷路。

LCD液晶屏

LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说,若一个平面上的分子南北向排列,则另一平面上的分子东西向排列,而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播,所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时,分子便会重新垂直排列,使光线能直射出去,而不发生任何扭转。

LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网,阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直,所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行,或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配,光线才得以穿透。

LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成,所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是,由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶,所以在光线穿出第一个滤光器后,会被液晶分子扭转90度,最后从第二个滤光器中穿出。另一方面,若为液晶加一个电压,分子又会重新排列并完全平行,使光线不再扭转,所以正好被第二个滤光器挡住。总之,不加电将光线射出,加电则使光线阻断。

医疗

运动性疼痛各种亚急性慢性肌肉痛和关节痛;各种骨关节退行性病变所致的疼痛:颈椎病肩周炎肱骨外上髁炎腰椎间盘突出症、膝关节骨性关节炎、足跟痛与足底痛及各种关节炎等;

红外偏振光治疗的特点:

①无损伤,②无痛苦,③无感染危险,④治疗时间短,⑤无副作用及并发症,⑥适应范围广,⑦作为神经阻滞的辅助疗法或替代疗法。

偏振光可用于对药物有变态反应的高龄、出血性疾病等不宜神经阻滞的患者。可与各种药物疗法并用。操作者无须较高的医疗技术,在医师指导下护士即可完成局部普通照射操作。

激光是单色线性偏振光,红外偏振光是宽谱椭圆偏振光,类似于不同波段低功率激光的复合应用。试验证明,不同波段激光复合应用的疗效多优于单一激光。

人类对偏振光的感知能力,是因为有一种叫做叶黄素的化学物质,在视网膜上一个叫做黄斑的区域,呈同心圆样排列着。叶黄素在自然界中广泛存在,分子结构纤细苗条。这种貌似普通的化学物质,有着一种特殊的光学性质:当它的长轴和偏振光振动方向平行,叶黄素将会吸收射入光线中的蓝光。

这样,经过B区域的叶黄素的过滤,显示器散发的垂直白色偏振光,将以黄色蓝色的互补色投射在视网膜感光细胞上。因此看到两把水平黄刷子。而垂直部分(A区域),一切照常,但是由于心理性成像(psychological vision),这部分将形成更是微弱难辨的蓝色刷子。大部分人经过“看刷子训练”,都可以看到这个微弱的影像 [4]

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