第四、五节 光的偏振、激光

偏振镜

　　什么是偏振镜？一种以两层玻璃相粘合，中间夹一种有极细的杆状结晶体的胶膜，这种胶膜对光线能起到偏振作用，所以叫做起偏振膜．当横面振动的光通过偏振镜后，成为单向的振动，其他方向的振动部分或全部吸收，所以通过偏振镜后的光波，只有和镜内晶体丝平行方向的平面振动．在使用偏振镜拍摄时，应将偏振镜安放在摄影镜头的前面，通过取景器一边观察一边转动镜面，以便观察消除偏振光的效果．当观察到被摄物体的反光消失时，既可以停止转动镜面．偏振镜在摄影创作中有那些用途？偏振镜在摄影创作中具有以下几个方面的用途：消除或减弱光滑物体表面的反射光，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，这是由于光线的偏振而引起的．在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑，更好地表现出被摄体的细节和质感．控制天空亮度，使蓝天变暗．偏振镜具有阻止天空的明朗光线的作用，当偏振镜的方向与太阳光构成90°时，其空中的明朗光线受阻；当偏振镜的方向构成0°或180°时，不起偏振作用．由于蓝天中存在大量的偏振光， 所以用偏振镜能够调节天空的亮度，加用偏振镜以后，蓝天变的很暗，突出了蓝天中的白云．偏振镜是灰色的，所以在黑白和彩色摄影中均可以使用．可作中性灰滤光镜使用．由于偏振镜是灰色的，如果将两片偏振镜相叠加，就能阻止一部分光线的通过，起到中性灰滤光镜的作用．使用时，如果能转动两个偏光轴之间的夹角，便可获得不同程度的阻光率． 提高彩色影像的色纯度 使用偏振镜能够消除光滑物体的反光和耀斑．物体表现的反光或耀斑不但使这部分影像失去了质感，同时也明显地降低了被摄体的色彩的色纯度，消除了被摄体表面的反光和耀斑，同时也就不同程度地改善了彩色影像的色纯度．

　　使用偏振镜时应该注意什么？

　　1）使用偏振镜后应适当增加暴光量．因为偏振镜具有一定的阻光作用，同时偏振胶膜中细杆壮结晶丝在制法上有所不同，因而其透明度也不一同，所以暴光因数也不一样，一般来说其增加的倍数约为2-4倍．

　　2）注意不要让光线直接照射到镜头上，以免发生光晕现象，使用时最好加上遮光罩．

　　3）使用时应不断转动镜面以获得最佳的效果．

　　4）在人工光源照明下拍摄物体或翻拍时，可在光源前加用偏振板，或在镜头上加用偏振镜，但偏振板不能用在摄影镜头上，偏振镜也不能用在光源前．因为这二者的形状大小均不同，其性能也略有差异，所以不能混用

向更短波长进发——激光器的问世

　　氨分子振荡器与固体微波激射器的研制成功及广泛的应用引起了巨大的反响，特别引起了军事部门的兴趣。当许多人醉心于微波激射器的研究时，汤斯已经朝向更短波长的目标进发了。长期从事军事研究的汤斯敏锐地看到，缩短波长意味着测量目标精度的提高、分辨率的增强以及信息传输量的增大，汤斯早已注意到这一研究的价值。1958年，在发表关于红外和可见光激光论文的同时，汤斯就思考着激光在军事应用上的潜在可能性。他在贝尔实验室曾以顾问的身份，向当时国防分析研究所及高级计划局某项计划负责人惠勒（Wheeler）提出一份书面报告。在报告中他预言，激光将对国防作出重要的贡献，肯定会受到高级研究计划局的特别关注。果然，报告提出的第二年，高级研究计划局以100万美元资助了技术研究集团的激光研制计划①。高级研究计划局所关注的不仅是把激光用于雷达和通讯，还想用于防御前苏联导弹的威胁。第一台激光器也正是在美国工业界的一个国防机构——休斯飞机制造公司的支持下研制成功的。

　　在向更短波长进发的过程中，汤斯的第一个目标是由毫米波进入亚毫米波段。然而，在一开始他就遇到了麻烦。首先，要使振荡腔的长度与波长相当，制造1厘米以下的振荡腔非常困难；其次，由于振荡腔的缩小，内含物质少又严重地限制了放大性能。在克服这一困难的过程中，汤斯发现，若把波长缩短到红外或可见光区域，腔体尺寸带来的杂散振荡反倒有可能随之减小，这使他倍受鼓舞。此时，汤斯的姻弟——肖洛（Schawlow，Arthur L．1921～）从光学中的F-P*仪得到启发，提出一个设想，即用一对反射镜代替封闭的谐振腔，以控制不必要的振荡模式。1958年，肖洛与汤斯联名在《物理评论》上发表了重要论文《红外与光激射器》。这篇论文不仅给出了受激辐射光产生的必要条件，而且还详细地论述了光激射器的若干理论问题，论证了F-P*仪代替谐振腔减少过剩波型及自激辐射的机制，还提出了以钾蒸气为工作物质、钾灯为泵浦源的红外激射器的设计方案。肖洛与汤斯的这一设想，使许多人纷纷加入激射器的研制中。人们意识到，谐振腔的难题解决之后，重要的问题是如何实现反转分布，此外，选择工作物质与泵浦源也成为重要的问题。汤斯认为钾蒸气实现的可能性最大。早在提出设计方案前，他就已经着手试验了。肖洛则转向红宝石研究。前苏联列别捷夫物理研究所的巴索夫则提出以半导体材料为工作物质的方案。除了光泵法以外，贝尔实验室的贾万（Javan，A．1926～）提出放电法连续运转的氦氖激光器方案。1959年9月在纽约举行的首届量子电子学会议上，仅提交的激光器设计方案就有数十份，设计者们都在加快步伐，一场激烈的竞争在激烈地展开着。首先摘取激光器发明桂冠的是休斯飞机公司所属研究室的美 国物理学家梅曼（Maiman，Theodore Harold 1927～）。梅曼的成功不是偶然的，他是电气工程师之子，靠修理电器半工半读读完大学。1949年从科罗拉多大学毕业后，考入斯坦福大学攻读研究生，1955年获得博士学位。他的导师兰姆（Lamb，Willis Eu- genen Jr．1913～）曾因发现著名的氢原子谱线兰姆位移而获得1955年诺贝尔物理奖。在梅曼随导师一起研究兰姆位移过程中，梅曼曾提出利用反转分布使氢原子的不同能态间产生受激辐射的设想，并以这一设想展开了他的博士论文《利用波和光的双共振研究氢原子的激发态》。1956年，梅曼应邀到休斯飞机公司的一个研究所工作，致力于红宝石微波放大器的研究，1959年8月转而研制激光器。由于他对红宝石的经验，经过一番选择后，他选用了掺钕红宝石晶体作为工作物质，以脉冲氙灯作为光泵，终于在1960年5月获得了成功。梅曼等人研制成功的第一台激光器的工作物质是长2cm、直径1cm的掺钕红宝石棒，它的两端被磨平后镀银，其中一个镀银面中心有一个直径1mm的透光孔，泵浦光源为螺旋形氙灯①。1961年夏，中国科学院长春光学精密机械研究所也研制成功了红宝石激光器，从掺杂晶体的生长、冷光学加工、金属镀膜，到光学质量的检验，无一不是研究人员亲自动手进行的，泵浦氙灯也是我国自己制造并将螺旋管改为直管型，成为至今流行的结构。

　　在梅曼获得成功以后，一系列不同基质晶体的掺稀土元素的固体激光器相继运转，尤其是波长1.06μm的掺钕钇铝石榴石激光器和掺钕硅酸盐玻璃激光器得到了广泛的应用。气体激光器已能在紫外到红外的广阔波段内工作，从原子、分子、离子气体激光器到金属蒸气和其它惰性气体激光器已达数十种之多，其中二氧化碳激光器具有强功率输出，已成功地用于金属加工、激光化学、医疗等领域。以染料激光器为主的液体激光器已在数百种有机染料中获得激光输出，由于输出波长能在近紫外到近红外的广阔谱段内调谐，在光谱学、激光化学领域中有广泛的应用。半导体激光器有体积小、重量轻等特点，在光纤通讯中作为光源有广阔的应用前景。激光技术的最新领域是自由电子激光与X射线激光器的研制，它们已成为与高能物理息息相关的交叉技术领域。

产生激光的5个条件

　　激光在英文中是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是受激辐射的光放大．可见，受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件．

　　如果让这些受激光子一个一个地发射出来，是不能形成强大的能量的．一般的，电子被激发到高能级后，在高能级上停留的时间是短暂的．而有些物质的电子处于第二能级E2的时间较长，仅次于基态能级E₁．这个能级就叫做亚稳能级．要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级．这是产生激光的第二个条件．

　　外来的光子能激发出光子，产生受激辐射，但也可能被低能级所吸收．在激光工作物质中，受激辐射和受激吸收这两个过程都同时存在．在常温下，吸收多于发射．选择适当的物质，使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收．这是产生激光的第三个条件．

　　激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章．要使频率单纯，方向集中，就必须有一个振荡腔．这是产生激光的第四个条件．通信所用的半导体激光器就是利用半导体前后两个端面与空气之间的折射率不同，形成反射镜而组成振荡腔的．

　　这些晶体和谐振腔都会使光子产生损耗．只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件。

激光照排技术

　　激光的出现引发了印刷工业中的一场革命．现代社会中，信息的作用越来越重要． 谁掌握的信息越迅速、越准确、越丰富，谁也就更加掌握了主动权，也就有更多成功的机会．因此在信息传播中，加快印刷速度，缩短出版周期也就有了相当重要的意义．现在已经得到广泛应用的激光照排技术就是一项重大的革命．激光照排是将文字通过计算机分解为点阵，然后控制激光在感光底片上扫描，用曝光点的点阵组成文字和图像．现在我国已广泛应用的汉字排版技术就采用了激光照排，它比古老的铅字排版工效至少提高5倍．

扩展资料

清朝全息相片之谜

　　清朝时候，有个姓汪的官员外出，乘马车走在一处河堤上．天空忽然阴云密布，随即雷鸣电闪，大雨倾盆．汪某急忙让车子停在一棵大柳树下躲避．

　　雨过天晴，汪某下车方便，回头时猛地看见车窗内有几个人影，心中不禁一惊．揭开车帘看，车厢里空无一人，仔细审视，原来人影是在车窗玻璃上．回家后，人影依然不散，家人都以为神异，就把这块玻璃取下供奉起来．

　　20几年后，汪家的儿童用弓箭游戏，不小心打碎了玻璃．奇怪的是，每一块碎片上的影像仍然是完整的．

　　汪某的外甥，翰林院侍读张亮基得到一块碎片，拿去给他的好友姚元之看．姚元之把自己看到的情况记录下来，并收入他所写的《竹叶亭杂记》书中．

　　书中记载：放平了看，这是一块残缺的玻璃片，但斜向阳光看去，就有一个“仙人”坐在里面，仪容端庄，面色微红，双目炯炯，胸前飘着长长的白须，头戴红色道冠，穿紫色衣服，右手执一柄羽毛扇，身旁还侍立着一个童子．

　　姚元之在清代嘉庆、道光两朝，做官近40年，经历丰富，博学能文，著述严谨．囿于当时认识水平，姚元之把这一奇异现象解释为在雷雨时刻，一位避劫的仙灵精气聚合不散，附着在玻璃上而成．