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高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册6 光的偏振 激光课堂教学课件ppt
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这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册6 光的偏振 激光课堂教学课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了教学目标，教学重点，教学难点，光的偏振，横波的偏振现象，偏振片，光能否发生偏振现象，光的偏振状态，布儒斯特定律，偏振光的获得方法等内容，欢迎下载使用。
观察振动中的偏振现象，知道只有横波才有偏振现象
知道偏振光和自然光的区别，能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象
了解激光的特点及其应用
知道全息照相的原理，体验现代科技的神奇，培养对科学的兴趣
了解偏振现象及运用光的偏振知识来解释一些常见的光学现象；
只有横波才有偏振现象，知道光由偏振现象所以光是一种横波。
理解光有偏振现象，所以光是一种横波
光振动与自然光和偏振光的联系。
激光与自然光的区别以及激光的特点。
激光与自然光的区别以及激光的特点和应用。
横波：质点振动方向与波的传播方向垂直
纵波：质点振动方向与波的传播方向平行
如何判断一个波是横波还是纵波？
取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，就在软绳上形成一列横波。
现在，让软绳穿过一块带有狭缝的木板。
如果狭缝与振动方向平行，则振动可以通过狭缝传到木板的另一侧（图甲）。
如果狭缝与振动方向垂直，则振动就被狭缝挡住而不能向前传播（图乙）。
如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波。
无论狭缝怎样放置，弹簧上的纵波都可以通过狭缝传播到木板的另一侧（如下图）。
原因：纵波振动方向与波的传播方向在同一直线。
知道可以使用波的偏振检验波是横波还是纵波
横波的振动矢量垂直于波的传播方向振动。
振动矢量偏于某个特定方向的现象叫做偏振。
只有横波有偏振现象，而纵波无偏振现象。
纵波只能沿着波的传播振动，所以不可能有偏振。
在纵波中，振动方向总是跟波的传播方向在同一直线上。 在横波中，振动方向总是垂直于波的传播方向。
但不同的横波，振动方向可以不同。
例如一列横波沿水平方向传播，质点在竖直平面内可能沿着上下方向振动，也可能沿着左右方向振动，也可能沿着任何其他方向振动。
当然，对于一个确定的横波，它的振动方向是确定的。
我们可以怎样检验光是横波还是纵波？
偏振片由特定的材料制成，它上面有一个特殊的方向（叫做透振方向），只有振动方向与透振方向平行的光波才能通过偏振片。
偏振片对光波的作用就像以上实验中的狭缝对于机械波的作用一样。
其“狭缝”不能用肉眼看到
只有“振动”方向与透振方向一致的光才可以通过偏振片P
注意：偏振片并非刻有狭缝，而是具有一种特性，即存在一个偏振方向，只让平行于该方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收了。
实验：让太阳光或灯光通过偏振片P
现象：旋转偏振片，屏上的亮度不变
实验：让光源的光通过两片偏振片
现象：光通过第一片偏振片后再转动第二片偏振片，光的强弱会发生变化。
两偏振片的偏振化方向相互垂直，光强为零。
现象：光通过第一片偏振片后再转动第二片偏振片，光的强弱会发生变化
结论：光也会发生偏振，说明光是横波。
现在利用偏振片代替上面的带有狭缝的木板，来做光学实验。
普通光源发出的光经过偏振片后，能够看到后面的人脸，说明光透过了偏振片；
转动偏振片，看到人脸的亮度不变，说明透过光的强度不变。
没有发生明暗交替，是否能够说明光不是横波？
转动偏振片时，出现了明显的明暗交替
说明光发生了偏振，光是横波
用两个偏振片重新来一遍
为何第一次实验没有发生偏振现象呢？
实验现象表明：光不是纵波。
如果光是纵波，应该不论放几个偏振片，处于什么状态，应该都能通过狭缝。
两个偏振片观察到的现象就是光的偏振现象
不同的光具有的偏振状态不同。
太阳、电灯等普通光源发出的光。
特点： 包含在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。
自然光后放一个偏振片后，虽然只有与透振方向相同的光振动能够通过，但是由于各个方向的光振动强度相同，所以屏上不会出现明暗变化。
在垂直于传播方向的平面内，只沿某一个方向振动的光。
偏振光的意义：只有横波才能发生偏振现象，光的偏振现象说明光是横波。
横波只沿着某一个特定的方向振动，称为波的偏振。
只有横波才有偏振现象。
通过第一个偏振片的偏振光再通过第二个偏振片（称为检偏器）时，
当两偏振片的透振方向平行时，透射光的强度最大；
当两偏振片的透振方向相互垂直时，偏振光不能通过第二个偏振片，透射光的强度为零。
通常看到的绝大多数光都是偏振光。
自然光射到两种介质的界面上，如果光入射方向合适，使反射光和入射光垂直。
自然光在反射和折射后成偏振光。
此时反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向互相垂直。
除了自然光和偏振光之外，还有部分偏振光。
观察反射光透过偏振片的情况
现象：旋转偏振片，像的明亮程度变化，但一直都能观察到像。
包含在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，但各个方向振动的强度不等。
自然光在玻璃、水面、木质等表面反射时，反射光和折射光都是不同程度的偏振光。
振动方向垂直于纸面的光较强
反射光、折射光都是部分偏振光
反射光中，垂直入射面振动占优势 折射光中，平行入射面振动占优势
反射光是完全偏振光（只有垂直于纸面振动方向光），折射光是部分偏振光
此时反射光线与折射光线垂直。
光在两各向同性介质表面入射时 如果入射角与两介质折射率存在下述关系：
反射光成为只有垂直振动的线偏振光
这就是布儒斯特定律
如何从普通光源中取得偏振光呢？
当反射光线与折射光线垂直时，反射光为线偏振光
当戴上偏振片眼睛观察水面时，能够清楚地看到水中的游鱼，试解释其中的道理。
水面反射的光对人眼产生干扰，使人不能清楚地看到水面下的东西，从水面反射的光中包含很多偏振光，偏振片眼睛可阻挡这些偏振光进入眼睛，这时可以比较清楚地看到水中的情景。
通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛、月亮、反光的黑板，当以入射光线为轴转动偏振片时，看到的现象有何不同？
通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛时，透射光的强度不随偏振片的旋转而变化。 因为灯光、烛光都是自然光，沿各个方向振动的光的强度相同。因此，当偏振片旋转时，透射出来的光波的振动方向虽然改变了（肉眼对此不能感觉到），但光的强弱没有改变。 月亮、黑板反射的光是偏振光，它们通过偏振片投射过来的光线的强弱会随偏振片的旋转发生周期性的变化。
电磁波是横波，光波当然是横波；
电磁波是中，E和B的振动方向都与波方向垂直；
在与光波传播方向垂直的平面内，光振动可沿任意方向；
自然光：光振动沿各个方向均匀分布
在光波里，可引起人的视觉的是E矢量（光矢量）。
偏振光：光振动沿着特定的方向
注意：生活中除光源直接发出的光外，我们看到的绝大部分光都是偏振光。
在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿所有方向，且沿各个方向振动的光波的强度都相同
直接从普通光源发出的光
在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向（与起偏器透振方向一致）
自然光通过起偏器后的光
光的偏振现象有很多应用
知道利用偏振片可以削弱反射光、散射光
偏振现象的应用——拍摄
在拍摄日落时水面下的景物、池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物的照片时，由于水面或玻璃表面的反射光的干扰，常使景像不清楚。
如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使景像清晰。
偏振现象的应用——偏振光照灯
在夜间行车时，迎面开来的车灯眩光常常使司机看不清路面，容易发生事故。
如果在每辆车灯玻璃上和司机坐席前面的挡风玻璃上安装一个偏振片，并使它们的透振方向都沿同一方向与水平方向成45°角。
这时，司机从前窗只能看到自己的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光。 当汽车在夜间行驶时，可避免对面车灯造成的视觉眩晕，保证行车安全。
偏振现象的应用——液晶显示
液晶显示器是一个由上下两片导电玻制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料——胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片。
如果有光线进入，通过第一个偏振片后，将被液晶分子逐渐改变偏振方向。由于光线沿着分子排列的方向传播，光线最终将从另一端射出。
如果两玻璃板之间加上电压，分子排列方向将与电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过第二个极板。
有一定大小的电压时，旋光性消失
液晶显示器就是利用这一特性，在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶，利用电场控制液晶的转动。
不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度。
偏振现象的应用——观看立体电影
双眼视差：左右两只眼睛看外界图象时的差别叫作双眼视差。
人看物体有立体感的原理
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，每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振方向相互垂直。
观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振方向与左面放像机上的偏振方向相同；
右眼偏振片的偏振方向与右面放像机上的偏振方向相同。
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。
什么是光的偏振现象？光的偏振现象对认识光的本性有什么意义？
光只能在某个特定方向振动的现象叫偏振现象。 偏振是波的特性，光的偏振现象说明光是一种波，而且是一种横波
市场上有一种太阳镜，它的镜片是偏振片。查找资料或向有经验的人请教，回答以下问题。 偏振片与普通的有色玻璃片相比有什么优点？安装镜片时它的透振方向应该沿什么方向？利用偏振眼镜可以做哪些实验，做哪些检测？
两者的目的都是减少通光量，但普通带色玻璃改变了物体的颜色，而偏振片却没有。 安装镜片时，镜片的透振方向应沿竖直方向。利用偏振镜片可以检验光波是不是横波，也可以检测某一光波是不是偏振波
生物的生理机能与偏振光
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。
蜜蜂有五只眼，三只单眼、两只复眼，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导到它所找到的花丛。
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。
偏振眼镜由偏振膜与眼镜片胶合成的偏振眼镜片装上眼镜架而成。
偏振膜是偏振眼镜的核心部件，偏振眼镜的功能，主要取决于偏振膜。
眩光（光亮耀眼的光）往往是由各种光滑表面反射而来的镜式反射光和由粗糙表面反射来的漫反射光重叠而成的。
它含有大量的水平方向或垂直方向振动的直线偏振光，如果让它进入眼睛，视网膜上的神经在它的电场作用下，就比较容易产生疲劳的感觉，而且视物不清，这对人眼是有害的。
大部分天然眩光都是从水平的平面（如水泥路面、水面、沙漠、桌面、玻璃台板、纸面等）或垂直平面（如黑板、窗户、玻璃、荧光屏等）反射而来。
其中漫反射光是极不规则的，它们及其复杂地自行交错叠加，因此本质是一种非偏振光，然而镜式反射光是经平面反射而成的，它至少已经是部分偏振化了。
所以要清除眩光，只要将反射光中的直线偏振光去掉就行了。
各种用途的偏振眼镜就是根据这个原理而设计的。
将偏振膜光轴置竖直方向，就能拦掉水平偏振光而制成“太阳镜”、“钓鱼镜”、“司机镜”等偏振眼镜。
偏振眼镜与普通太阳镜不同。
后者是将各种振动方向的光都普遍地加以吸收、削弱，只能使总的光量变弱一些。
因此在消除水平振动的眩光的同时，就不可避免地削弱了其它方向振动的光，从而使视场变得太暗，而光线太暗，也会促使视觉疲劳，对人眼引起不良影响。
而偏振眼镜对其它方向振动的光吸收很少，所以可以两者兼顾，比较有效地保护眼睛。
偏振眼镜除了可减弱视场明度外，尚可增加视觉的美感，一般景色在透过偏振镜片后，便可显得更为柔和与深沉，这是一种野外使用的高级太阳镜。
对于钓鱼爱好者来说，通常鱼塘前方是一片明朗的天空，强烈的反射光入眼使人难受，甚至看不清水面上的浮子。钓鱼者戴上这种眼镜，就可避免上述情况，所以这种眼镜又可称为“钓鱼镜”。
司机开车奔驰在水泥路面或柏油路面上，路面的太阳反射光会刺激眼镜，容易使眼镜产生疲劳，造成安全隐患，戴上这种偏振眼镜，即使长时间开车也不易因反射光而产生眼镜疲劳，所以这种眼镜又可称为“司机镜”。
对于学生来说，教师黑板的反光是一个普遍存在的问题，通常发生在前面几排窗户对面的位置。反光使学生看不清黑板上的字迹，影响学生视力和学习。若将偏振膜的透光轴装成水平方向，制成“学生镜”，就可以解决这一问题。
以上几种偏振眼镜片都制成叠合结构，耐冲击力强，即使受到强烈冲击镜片破坏，也不会发生碎片飞溅而伤害眼睛，具有安全防护功效，是一种安全眼睛。
偏振眼镜片也可以制成各种度数的单视球镜片，满足不同视力的人的需要。
光是从物质的原子中发射出来的，原子获得能量后处于不稳定状态，它会以光子的形式将能量发射出去。
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。
各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
1916年爱因斯坦在玻尔能级理论基础上提出辐射的量子理论，是产生激光的基本原理
知道激光是原子受激辐射产生的
知道激光具有强度大、方向性好、单色性好、相干性好等特点
激光：是“受激辐射光放大”的简称。
它是用人工的方法产生的一种特殊的相干光 。
产生机理：原子受激辐射后发生跃迁
某些物质的原子中的粒子受光或电刺激，使低能级的原子变成高能级原子，在向低能态跃迁时辐射出相位、频率、方向等完全相同的光，这种光叫作激光。
激光是20世纪的一项重要发明，由于它有着普通光无法比拟的一些特性，已经在广泛的领域得到应用。
相干光：频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的光。
注意：激光为相干光，具有高强度的相干性。
单色性强——激光为相干光，具有高强度的相干性。
He——Ne气体激光器
普通混合气体放电管发出同频率的光：
激光器发射的激光，都集中在一个极窄的频率范围内，由于光的颜色是由频率决定的，因此激光器是最理想的单色光源。
激光束的光线平行度极好，从地面上发射的一束极细的激光束，到达月球表面时，也只发散成直径1m多的光斑，同时仍能保持很大的强度。因此激光在地面上传播时，可以看成是不发散的。
利用这一点可以精确测距。现在利用激光测量地月距离的精确度已达到1m。
相干性好——容易产生干涉现象。
用激光器做光源观察光的干涉和衍射现象，都能取得较好的效果。
由于激光束的高度平行性及极强的单色性，因此激光是最好的相干光。
利用相干光易于调制的特点，传输信息，所能传递的信息密度极高，一条细细的激光束通过光缆可以同时传送一百亿路电话和一千万套电视，全国人民同时通话还用不完它的通讯容量。
亮度高（光强大）——激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。
所谓亮度，是指垂直于光线平面内单位面积上的发光功率。
自然光源亮度最高的是太阳，而目前的高功率激光器，亮度可达太阳的1万倍。
如果把强大的激光束汇聚起来，可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万度的高温。
不能直接照射眼睛，否则会伤害眼睛。
1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。
1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器。
1965年，第一台可产生大功率激光的器件——二氧化碳激光器诞生。
1967年，第一台X射线激光器研制成功
梅曼和他研制的激光发生器
气体激光器：最常见的是氦氖激光器，另一种典型代表是氩离子激光器
固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器。
液体、化学和半导体激光器
受激辐射时，辐射光和照射光具有完全相同的特性， 这些特性是指：_______________________________。
激光的三个主要特性是： ______________________， ______________________， __________________。
相位，频率，偏振态，传播方向
相干性好（单色性好） 亮度高（光强大）
激光具有的相干性好、单色性好、平行度高、亮度大等特点，使激光在各个领域都有很好的应用。
知道激光在各个领域的应用及优势
利用激光相干性好的特点，人们发展了全息照相、全息存储的技术。
普通照相技术记录的是光的强弱(振幅)及光的颜色(频率)。
而全息照相术，是记录波动(包括机械波、电磁波和光波)干扰的振幅和位相分布，以及使之再现的专门技术。
激光的应用——相干性好、单色性强
全息照片的拍摄利用了光的干涉原理，它是利用参考光和物光发生干涉形成的。
同一激光束被分成两束，参考光直接照到底片上，物光也到达底片。
参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉，底片上记录两束光叠加后明暗相间的干涉图像。
各点的明暗程度反映了叠加的加强和减弱的情形。
用激光照射全息照片，在照片的另一侧可观看原物体的立体的像。
用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹
用一束激光去照射该照片，眼前就会出现逼真的立体景物。从不同的角度去观察，可以看到原来物体的不同侧面 。
每一片碎片都包括被摄物体的完整信息
利用相干光易于调制的特点，传输信息，所能传递的信息密度极高。
激光通信又称光纤通信，正在被广泛应用，它用极细的玻璃光导纤维制成的光缆代替金属电缆，用激光作载波代替电流传输信息。
③传递图象，色彩逼真；
②通话质量高，通电话声音清晰，传输数据准确无误；
比较以往的通信技术，激光通信具有4个显著的特点：
①信息容量大，一束光导纤维可容纳100亿路电话；
④保密性能好，要想截获在光缆中传输的激光是十分困难的。
由于激光是很好的单色光，它产生的干涉现象最清晰。
两束相干光产生的叠加效果与两束光通过的路程差有关，只要其中一束光通过的路程改变半个波长，干涉条纹就会发生明显变化：原来的明条纹变成暗条纹。
所以，利用干涉现象可以精确测定物体的长度。
由于激光的单色性很好，所以测量的精度很高，利用激光测量几米的长度，测量精度可以小于0.1μm。
由于激光是非常好的平行光，用它测量距离可以达到很高的精度。
对准目标发出一个极短时间的激光脉冲，测出激光从发射到反射回发射点经过的时间t。
就可以按公式 ，求出从发射点到被测目标的距离S。实际上按这种原理制成的激光测距仪就是一种激光雷达。
激光的应用——平行度高、亮度高
激光雷达用途很多，它不仅可以测量距离，还能测定被测目标的方位、速度，甚至能描绘出目标的形状，进行识别和自动跟踪。
所以激光雷达可以用在导航、气象、天文、大地测量、军事、宇航技术等方面。
信息时代的发展需要建立传输速率快、信息量大、覆盖空间广的通信网络系统。采用激光进行空间卫星的通信，是实现高码率通信的最佳方案，甚至被认为是唯一手段，尤其是在空间卫星日益拥挤的今天。
由于激光的平行度好，激光可以汇聚到一个很小的点上，利用激光可以在光盘上刻录密度很高的信息，也可以利用激光从VCD机、CD唱机或计算机的光盘上读出记录的信息，经过处理后还原成声音或图像。
将激光器发出的激光经光学系统聚焦后，在待加工的工件上形成密度很高、能量很大、直径很小的光斑，使受照部位迅速熔化或汽化，以完成特定要求的加工，包括切割、焊接、打孔、划片、整形、热处理和表面处理等。
高能激光（能产生约5500°C的高温） 把大块硬质材料焊接在一起
利用强激光产生的高压引发核聚变。
这是激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。
从而达到杀虫、灭菌、提高食品卫生质量、保持或改善食品的营养品质和原有风味，以及延长食品储藏期和销售期的目的。
激光辐射保鲜储藏技术，也就是以高能射线与物质作用产生物理效应和生物效应的理论和技术为基础，使用 射线、X射线和电子射线对食品进行照射。
用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着
激光治疗包括：辐照、烧灼、汽化、光刀切割以及光针针灸等。
利用大能量激光器发射的激光束来攻击敌方，使被照射处形成能量、密度很高的光斑，被照射物体表面迅速熔化或汽化。激光武器具有很强的攻击力，常被称为“死光”，激光以3×108m/s的高速出击，只要对准目标，即可命中。
高能激光武器（强激光武器、激光炮）：利用高功能激光摧毁敌方卫星、导弹、飞机、坦克等大型目标的武器。（现仍在研制阶段）
美国研制的天基激光器，可用于防御核攻击
美国TRW公司设计的中红外先进化学激光武器结构示意图
高能激光武器的历史与现状
1973年春，美军用激光炮一举击落长4.57m时速482.8km的飞行靶机;
1976年以用激光炮击落两架飞行于900m高空的高空无人架驶飞机;
1978年美国陆军用激光炮在1—2km内击落正在高速飞行的“陶式”反坦克导弹弹头裂成碎片;
前苏联更超前于美国,曾先后进行过十八次反卫星实验,1975年曾照瞎了美国位于印度洋上空一预警、通信卫星，美提出强烈抗议，苏联说没有这回事，美只好吃了一哑吧亏。
90年代举世瞩目的“星球大战计划”中的定向能武器就是一种高能激光武器，现转称为“美国国家导弹防御计划”，仍在大力研究。
美国化学激光器功率已达到2.2兆瓦。
1982年开始研制，1990年1--3月在野外试验成功，海湾战争中装配在美军第七步兵师，参加了“沙漠盾牌”和“沙漠风暴”作战。
是一种激光致盲描准具，1982年马鸟战争期间安装在“竞技神”号战舰上，实战中效果良好，造成3架阿根廷飞机失事。所有这一切均是保密的。
直致1989年英军舰“考文垂”号上因帆布未盖好才被记者拍下照片，1990年公布于世。
美国F-15和激光制导导弹
美国F117发射激光制导导弹
激光是相干光源。根据激光的这个特点，可以将激光应用在哪些方面？
可以将激光应用在检查物体表面平整度和全息照相技术等方面
一张光盘可以记录几亿个字节，其信息量相当于几千本十多万字的书，其中一个重要的原因就是光盘上记录信息的轨道可以做得很密，1mm的宽度至少可以容纳650条轨道。这是应用了激光的什么特性？
利用了激光的平行度好的特点
激光可以在很小的空间和很短的时间内聚集很大的能量。例如一台红宝石巨脉冲激光器，激光束的发散角只有 ，在垂直于激光束的平面上，平均每平方厘米面积的功率达到 。激光的这一特性有哪些应用价值？请你举例说明。
可以利用激光束来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔。 医学上可以用激光作为“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤，还可以用激光“焊接”剥落的视网膜
观察振动中的偏振现象，知道只有横波才有偏振现象
知道偏振光和自然光的区别，能运用偏振知识来解释生活中的一些常见光学现象
了解激光的特点及其应用
知道全息照相的原理，体验现代科技的神奇，培养对科学的兴趣
了解偏振现象及运用光的偏振知识来解释一些常见的光学现象；
只有横波才有偏振现象，知道光由偏振现象所以光是一种横波。
理解光有偏振现象，所以光是一种横波
光振动与自然光和偏振光的联系。
激光与自然光的区别以及激光的特点。
激光与自然光的区别以及激光的特点和应用。
横波：质点振动方向与波的传播方向垂直
纵波：质点振动方向与波的传播方向平行
如何判断一个波是横波还是纵波？
取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，就在软绳上形成一列横波。
现在，让软绳穿过一块带有狭缝的木板。
如果狭缝与振动方向平行，则振动可以通过狭缝传到木板的另一侧（图甲）。
如果狭缝与振动方向垂直，则振动就被狭缝挡住而不能向前传播（图乙）。
如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波。
无论狭缝怎样放置，弹簧上的纵波都可以通过狭缝传播到木板的另一侧（如下图）。
原因：纵波振动方向与波的传播方向在同一直线。
知道可以使用波的偏振检验波是横波还是纵波
横波的振动矢量垂直于波的传播方向振动。
振动矢量偏于某个特定方向的现象叫做偏振。
只有横波有偏振现象，而纵波无偏振现象。
纵波只能沿着波的传播振动，所以不可能有偏振。
在纵波中，振动方向总是跟波的传播方向在同一直线上。 在横波中，振动方向总是垂直于波的传播方向。
但不同的横波，振动方向可以不同。
例如一列横波沿水平方向传播，质点在竖直平面内可能沿着上下方向振动，也可能沿着左右方向振动，也可能沿着任何其他方向振动。
当然，对于一个确定的横波，它的振动方向是确定的。
我们可以怎样检验光是横波还是纵波？
偏振片由特定的材料制成，它上面有一个特殊的方向（叫做透振方向），只有振动方向与透振方向平行的光波才能通过偏振片。
偏振片对光波的作用就像以上实验中的狭缝对于机械波的作用一样。
其“狭缝”不能用肉眼看到
只有“振动”方向与透振方向一致的光才可以通过偏振片P
注意：偏振片并非刻有狭缝，而是具有一种特性，即存在一个偏振方向，只让平行于该方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收了。
实验：让太阳光或灯光通过偏振片P
现象：旋转偏振片，屏上的亮度不变
实验：让光源的光通过两片偏振片
现象：光通过第一片偏振片后再转动第二片偏振片，光的强弱会发生变化。
两偏振片的偏振化方向相互垂直，光强为零。
现象：光通过第一片偏振片后再转动第二片偏振片，光的强弱会发生变化
结论：光也会发生偏振，说明光是横波。
现在利用偏振片代替上面的带有狭缝的木板，来做光学实验。
普通光源发出的光经过偏振片后，能够看到后面的人脸，说明光透过了偏振片；
转动偏振片，看到人脸的亮度不变，说明透过光的强度不变。
没有发生明暗交替，是否能够说明光不是横波？
转动偏振片时，出现了明显的明暗交替
说明光发生了偏振，光是横波
用两个偏振片重新来一遍
为何第一次实验没有发生偏振现象呢？
实验现象表明：光不是纵波。
如果光是纵波，应该不论放几个偏振片，处于什么状态，应该都能通过狭缝。
两个偏振片观察到的现象就是光的偏振现象
不同的光具有的偏振状态不同。
太阳、电灯等普通光源发出的光。
特点： 包含在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。
自然光后放一个偏振片后，虽然只有与透振方向相同的光振动能够通过，但是由于各个方向的光振动强度相同，所以屏上不会出现明暗变化。
在垂直于传播方向的平面内，只沿某一个方向振动的光。
偏振光的意义：只有横波才能发生偏振现象，光的偏振现象说明光是横波。
横波只沿着某一个特定的方向振动，称为波的偏振。
只有横波才有偏振现象。
通过第一个偏振片的偏振光再通过第二个偏振片（称为检偏器）时，
当两偏振片的透振方向平行时，透射光的强度最大；
当两偏振片的透振方向相互垂直时，偏振光不能通过第二个偏振片，透射光的强度为零。
通常看到的绝大多数光都是偏振光。
自然光射到两种介质的界面上，如果光入射方向合适，使反射光和入射光垂直。
自然光在反射和折射后成偏振光。
此时反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向互相垂直。
除了自然光和偏振光之外，还有部分偏振光。
观察反射光透过偏振片的情况
现象：旋转偏振片，像的明亮程度变化，但一直都能观察到像。
包含在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，但各个方向振动的强度不等。
自然光在玻璃、水面、木质等表面反射时，反射光和折射光都是不同程度的偏振光。
振动方向垂直于纸面的光较强
反射光、折射光都是部分偏振光
反射光中，垂直入射面振动占优势 折射光中，平行入射面振动占优势
反射光是完全偏振光（只有垂直于纸面振动方向光），折射光是部分偏振光
此时反射光线与折射光线垂直。
光在两各向同性介质表面入射时 如果入射角与两介质折射率存在下述关系：
反射光成为只有垂直振动的线偏振光
这就是布儒斯特定律
如何从普通光源中取得偏振光呢？
当反射光线与折射光线垂直时，反射光为线偏振光
当戴上偏振片眼睛观察水面时，能够清楚地看到水中的游鱼，试解释其中的道理。
水面反射的光对人眼产生干扰，使人不能清楚地看到水面下的东西，从水面反射的光中包含很多偏振光，偏振片眼睛可阻挡这些偏振光进入眼睛，这时可以比较清楚地看到水中的情景。
通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛、月亮、反光的黑板，当以入射光线为轴转动偏振片时，看到的现象有何不同？
通过一块偏振片去观察电灯、蜡烛时，透射光的强度不随偏振片的旋转而变化。 因为灯光、烛光都是自然光，沿各个方向振动的光的强度相同。因此，当偏振片旋转时，透射出来的光波的振动方向虽然改变了（肉眼对此不能感觉到），但光的强弱没有改变。 月亮、黑板反射的光是偏振光，它们通过偏振片投射过来的光线的强弱会随偏振片的旋转发生周期性的变化。
电磁波是横波，光波当然是横波；
电磁波是中，E和B的振动方向都与波方向垂直；
在与光波传播方向垂直的平面内，光振动可沿任意方向；
自然光：光振动沿各个方向均匀分布
在光波里，可引起人的视觉的是E矢量（光矢量）。
偏振光：光振动沿着特定的方向
注意：生活中除光源直接发出的光外，我们看到的绝大部分光都是偏振光。
在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿所有方向，且沿各个方向振动的光波的强度都相同
直接从普通光源发出的光
在垂直于光的传播方向的平面内，光振动沿某一特定方向（与起偏器透振方向一致）
自然光通过起偏器后的光
光的偏振现象有很多应用
知道利用偏振片可以削弱反射光、散射光
偏振现象的应用——拍摄
在拍摄日落时水面下的景物、池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物的照片时，由于水面或玻璃表面的反射光的干扰，常使景像不清楚。
如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片，让它的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以减弱反射光而使景像清晰。
偏振现象的应用——偏振光照灯
在夜间行车时，迎面开来的车灯眩光常常使司机看不清路面，容易发生事故。
如果在每辆车灯玻璃上和司机坐席前面的挡风玻璃上安装一个偏振片，并使它们的透振方向都沿同一方向与水平方向成45°角。
这时，司机从前窗只能看到自己的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光。 当汽车在夜间行驶时，可避免对面车灯造成的视觉眩晕，保证行车安全。
偏振现象的应用——液晶显示
液晶显示器是一个由上下两片导电玻制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料——胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片。
如果有光线进入，通过第一个偏振片后，将被液晶分子逐渐改变偏振方向。由于光线沿着分子排列的方向传播，光线最终将从另一端射出。
如果两玻璃板之间加上电压，分子排列方向将与电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过第二个极板。
有一定大小的电压时，旋光性消失
液晶显示器就是利用这一特性，在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶，利用电场控制液晶的转动。
不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度。
偏振现象的应用——观看立体电影
双眼视差：左右两只眼睛看外界图象时的差别叫作双眼视差。
人看物体有立体感的原理
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，每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振方向相互垂直。
观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振方向与左面放像机上的偏振方向相同；
右眼偏振片的偏振方向与右面放像机上的偏振方向相同。
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。
什么是光的偏振现象？光的偏振现象对认识光的本性有什么意义？
光只能在某个特定方向振动的现象叫偏振现象。 偏振是波的特性，光的偏振现象说明光是一种波，而且是一种横波
市场上有一种太阳镜，它的镜片是偏振片。查找资料或向有经验的人请教，回答以下问题。 偏振片与普通的有色玻璃片相比有什么优点？安装镜片时它的透振方向应该沿什么方向？利用偏振眼镜可以做哪些实验，做哪些检测？
两者的目的都是减少通光量，但普通带色玻璃改变了物体的颜色，而偏振片却没有。 安装镜片时，镜片的透振方向应沿竖直方向。利用偏振镜片可以检验光波是不是横波，也可以检测某一光波是不是偏振波
生物的生理机能与偏振光
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。
蜜蜂有五只眼，三只单眼、两只复眼，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导到它所找到的花丛。
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。
偏振眼镜由偏振膜与眼镜片胶合成的偏振眼镜片装上眼镜架而成。
偏振膜是偏振眼镜的核心部件，偏振眼镜的功能，主要取决于偏振膜。
眩光（光亮耀眼的光）往往是由各种光滑表面反射而来的镜式反射光和由粗糙表面反射来的漫反射光重叠而成的。
它含有大量的水平方向或垂直方向振动的直线偏振光，如果让它进入眼睛，视网膜上的神经在它的电场作用下，就比较容易产生疲劳的感觉，而且视物不清，这对人眼是有害的。
大部分天然眩光都是从水平的平面（如水泥路面、水面、沙漠、桌面、玻璃台板、纸面等）或垂直平面（如黑板、窗户、玻璃、荧光屏等）反射而来。
其中漫反射光是极不规则的，它们及其复杂地自行交错叠加，因此本质是一种非偏振光，然而镜式反射光是经平面反射而成的，它至少已经是部分偏振化了。
所以要清除眩光，只要将反射光中的直线偏振光去掉就行了。
各种用途的偏振眼镜就是根据这个原理而设计的。
将偏振膜光轴置竖直方向，就能拦掉水平偏振光而制成“太阳镜”、“钓鱼镜”、“司机镜”等偏振眼镜。
偏振眼镜与普通太阳镜不同。
后者是将各种振动方向的光都普遍地加以吸收、削弱，只能使总的光量变弱一些。
因此在消除水平振动的眩光的同时，就不可避免地削弱了其它方向振动的光，从而使视场变得太暗，而光线太暗，也会促使视觉疲劳，对人眼引起不良影响。
而偏振眼镜对其它方向振动的光吸收很少，所以可以两者兼顾，比较有效地保护眼睛。
偏振眼镜除了可减弱视场明度外，尚可增加视觉的美感，一般景色在透过偏振镜片后，便可显得更为柔和与深沉，这是一种野外使用的高级太阳镜。
对于钓鱼爱好者来说，通常鱼塘前方是一片明朗的天空，强烈的反射光入眼使人难受，甚至看不清水面上的浮子。钓鱼者戴上这种眼镜，就可避免上述情况，所以这种眼镜又可称为“钓鱼镜”。
司机开车奔驰在水泥路面或柏油路面上，路面的太阳反射光会刺激眼镜，容易使眼镜产生疲劳，造成安全隐患，戴上这种偏振眼镜，即使长时间开车也不易因反射光而产生眼镜疲劳，所以这种眼镜又可称为“司机镜”。
对于学生来说，教师黑板的反光是一个普遍存在的问题，通常发生在前面几排窗户对面的位置。反光使学生看不清黑板上的字迹，影响学生视力和学习。若将偏振膜的透光轴装成水平方向，制成“学生镜”，就可以解决这一问题。
以上几种偏振眼镜片都制成叠合结构，耐冲击力强，即使受到强烈冲击镜片破坏，也不会发生碎片飞溅而伤害眼睛，具有安全防护功效，是一种安全眼睛。
偏振眼镜片也可以制成各种度数的单视球镜片，满足不同视力的人的需要。
光是从物质的原子中发射出来的，原子获得能量后处于不稳定状态，它会以光子的形式将能量发射出去。
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。
各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
1916年爱因斯坦在玻尔能级理论基础上提出辐射的量子理论，是产生激光的基本原理
知道激光是原子受激辐射产生的
知道激光具有强度大、方向性好、单色性好、相干性好等特点
激光：是“受激辐射光放大”的简称。
它是用人工的方法产生的一种特殊的相干光 。
产生机理：原子受激辐射后发生跃迁
某些物质的原子中的粒子受光或电刺激，使低能级的原子变成高能级原子，在向低能态跃迁时辐射出相位、频率、方向等完全相同的光，这种光叫作激光。
激光是20世纪的一项重要发明，由于它有着普通光无法比拟的一些特性，已经在广泛的领域得到应用。
相干光：频率相同、相位差恒定、偏振方向一致的光。
注意：激光为相干光，具有高强度的相干性。
单色性强——激光为相干光，具有高强度的相干性。
He——Ne气体激光器
普通混合气体放电管发出同频率的光：
激光器发射的激光，都集中在一个极窄的频率范围内，由于光的颜色是由频率决定的，因此激光器是最理想的单色光源。
激光束的光线平行度极好，从地面上发射的一束极细的激光束，到达月球表面时，也只发散成直径1m多的光斑，同时仍能保持很大的强度。因此激光在地面上传播时，可以看成是不发散的。
利用这一点可以精确测距。现在利用激光测量地月距离的精确度已达到1m。
相干性好——容易产生干涉现象。
用激光器做光源观察光的干涉和衍射现象，都能取得较好的效果。
由于激光束的高度平行性及极强的单色性，因此激光是最好的相干光。
利用相干光易于调制的特点，传输信息，所能传递的信息密度极高，一条细细的激光束通过光缆可以同时传送一百亿路电话和一千万套电视，全国人民同时通话还用不完它的通讯容量。
亮度高（光强大）——激光可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。
所谓亮度，是指垂直于光线平面内单位面积上的发光功率。
自然光源亮度最高的是太阳，而目前的高功率激光器，亮度可达太阳的1万倍。
如果把强大的激光束汇聚起来，可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万度的高温。
不能直接照射眼睛，否则会伤害眼睛。
1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。
1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器。
1965年，第一台可产生大功率激光的器件——二氧化碳激光器诞生。
1967年，第一台X射线激光器研制成功
梅曼和他研制的激光发生器
气体激光器：最常见的是氦氖激光器，另一种典型代表是氩离子激光器
固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器。
液体、化学和半导体激光器
受激辐射时，辐射光和照射光具有完全相同的特性， 这些特性是指：_______________________________。
激光的三个主要特性是： ______________________， ______________________， __________________。
相位，频率，偏振态，传播方向
相干性好（单色性好） 亮度高（光强大）
激光具有的相干性好、单色性好、平行度高、亮度大等特点，使激光在各个领域都有很好的应用。
知道激光在各个领域的应用及优势
利用激光相干性好的特点，人们发展了全息照相、全息存储的技术。
普通照相技术记录的是光的强弱(振幅)及光的颜色(频率)。
而全息照相术，是记录波动(包括机械波、电磁波和光波)干扰的振幅和位相分布，以及使之再现的专门技术。
激光的应用——相干性好、单色性强
全息照片的拍摄利用了光的干涉原理，它是利用参考光和物光发生干涉形成的。
同一激光束被分成两束，参考光直接照到底片上，物光也到达底片。
参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉，底片上记录两束光叠加后明暗相间的干涉图像。
各点的明暗程度反映了叠加的加强和减弱的情形。
用激光照射全息照片，在照片的另一侧可观看原物体的立体的像。
用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹
用一束激光去照射该照片，眼前就会出现逼真的立体景物。从不同的角度去观察，可以看到原来物体的不同侧面 。
每一片碎片都包括被摄物体的完整信息
利用相干光易于调制的特点，传输信息，所能传递的信息密度极高。
激光通信又称光纤通信，正在被广泛应用，它用极细的玻璃光导纤维制成的光缆代替金属电缆，用激光作载波代替电流传输信息。
③传递图象，色彩逼真；
②通话质量高，通电话声音清晰，传输数据准确无误；
比较以往的通信技术，激光通信具有4个显著的特点：
①信息容量大，一束光导纤维可容纳100亿路电话；
④保密性能好，要想截获在光缆中传输的激光是十分困难的。
由于激光是很好的单色光，它产生的干涉现象最清晰。
两束相干光产生的叠加效果与两束光通过的路程差有关，只要其中一束光通过的路程改变半个波长，干涉条纹就会发生明显变化：原来的明条纹变成暗条纹。
所以，利用干涉现象可以精确测定物体的长度。
由于激光的单色性很好，所以测量的精度很高，利用激光测量几米的长度，测量精度可以小于0.1μm。
由于激光是非常好的平行光，用它测量距离可以达到很高的精度。
对准目标发出一个极短时间的激光脉冲，测出激光从发射到反射回发射点经过的时间t。
就可以按公式 ，求出从发射点到被测目标的距离S。实际上按这种原理制成的激光测距仪就是一种激光雷达。
激光的应用——平行度高、亮度高
激光雷达用途很多，它不仅可以测量距离，还能测定被测目标的方位、速度，甚至能描绘出目标的形状，进行识别和自动跟踪。
所以激光雷达可以用在导航、气象、天文、大地测量、军事、宇航技术等方面。
信息时代的发展需要建立传输速率快、信息量大、覆盖空间广的通信网络系统。采用激光进行空间卫星的通信，是实现高码率通信的最佳方案，甚至被认为是唯一手段，尤其是在空间卫星日益拥挤的今天。
由于激光的平行度好，激光可以汇聚到一个很小的点上，利用激光可以在光盘上刻录密度很高的信息，也可以利用激光从VCD机、CD唱机或计算机的光盘上读出记录的信息，经过处理后还原成声音或图像。
将激光器发出的激光经光学系统聚焦后，在待加工的工件上形成密度很高、能量很大、直径很小的光斑，使受照部位迅速熔化或汽化，以完成特定要求的加工，包括切割、焊接、打孔、划片、整形、热处理和表面处理等。
高能激光（能产生约5500°C的高温） 把大块硬质材料焊接在一起
利用强激光产生的高压引发核聚变。
这是激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。
从而达到杀虫、灭菌、提高食品卫生质量、保持或改善食品的营养品质和原有风味，以及延长食品储藏期和销售期的目的。
激光辐射保鲜储藏技术，也就是以高能射线与物质作用产生物理效应和生物效应的理论和技术为基础，使用 射线、X射线和电子射线对食品进行照射。
用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着
激光治疗包括：辐照、烧灼、汽化、光刀切割以及光针针灸等。
利用大能量激光器发射的激光束来攻击敌方，使被照射处形成能量、密度很高的光斑，被照射物体表面迅速熔化或汽化。激光武器具有很强的攻击力，常被称为“死光”，激光以3×108m/s的高速出击，只要对准目标，即可命中。
高能激光武器（强激光武器、激光炮）：利用高功能激光摧毁敌方卫星、导弹、飞机、坦克等大型目标的武器。（现仍在研制阶段）
美国研制的天基激光器，可用于防御核攻击
美国TRW公司设计的中红外先进化学激光武器结构示意图
高能激光武器的历史与现状
1973年春，美军用激光炮一举击落长4.57m时速482.8km的飞行靶机;
1976年以用激光炮击落两架飞行于900m高空的高空无人架驶飞机;
1978年美国陆军用激光炮在1—2km内击落正在高速飞行的“陶式”反坦克导弹弹头裂成碎片;
前苏联更超前于美国,曾先后进行过十八次反卫星实验,1975年曾照瞎了美国位于印度洋上空一预警、通信卫星，美提出强烈抗议，苏联说没有这回事，美只好吃了一哑吧亏。
90年代举世瞩目的“星球大战计划”中的定向能武器就是一种高能激光武器，现转称为“美国国家导弹防御计划”，仍在大力研究。
美国化学激光器功率已达到2.2兆瓦。
1982年开始研制，1990年1--3月在野外试验成功，海湾战争中装配在美军第七步兵师，参加了“沙漠盾牌”和“沙漠风暴”作战。
是一种激光致盲描准具，1982年马鸟战争期间安装在“竞技神”号战舰上，实战中效果良好，造成3架阿根廷飞机失事。所有这一切均是保密的。
直致1989年英军舰“考文垂”号上因帆布未盖好才被记者拍下照片，1990年公布于世。
美国F-15和激光制导导弹
美国F117发射激光制导导弹
激光是相干光源。根据激光的这个特点，可以将激光应用在哪些方面？
可以将激光应用在检查物体表面平整度和全息照相技术等方面
一张光盘可以记录几亿个字节，其信息量相当于几千本十多万字的书，其中一个重要的原因就是光盘上记录信息的轨道可以做得很密，1mm的宽度至少可以容纳650条轨道。这是应用了激光的什么特性？
利用了激光的平行度好的特点
激光可以在很小的空间和很短的时间内聚集很大的能量。例如一台红宝石巨脉冲激光器，激光束的发散角只有 ，在垂直于激光束的平面上，平均每平方厘米面积的功率达到 。激光的这一特性有哪些应用价值？请你举例说明。
可以利用激光束来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔。 医学上可以用激光作为“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤，还可以用激光“焊接”剥落的视网膜
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