电磁波与偏振要点.docx

電磁波與偏振 波動學 p#/8電磁波與偏振17.1電磁波的傳播 機械波是粒子的振動，需要介質作傳播但是，電磁波是電場和 磁場的振動，可通過真空電磁學的理論指出電荷加速會發出電磁波而另一種產生電磁波的方法是通過受激原子或分子的電子躍遷電磁波的傳播如圖所示，標示著E的線是電力線，而標示著B的線是磁通量線 平面正弦電磁波沿x-方向移動，如圖所示4 y此波動的電場E和磁場B的方程分別是Ey = Eyo sin(- kx) 和 Bz = Bzo sin(- kx) 電磁波的傳播方向以矢量 P表示，而且P = kE x BE =電磁波的電場強度矢量B =電磁波的磁場通量密度矢量 k= 取決於介質的恆量P =波因亭矢量，即通過每單位面積的輻射功率 (能量流向矢量)F圖是整個電磁波譜17.2電磁波譜 201020101610141012101010810610140頻率1111r 1[111W ><——> <1 ■今持——>— >TV<- >『射線X射線紫外線冷紅外線1. ■微波FM無線電波111可見光1111 1‘ -42/ -40/ -8_6‘ -4/ -2.-0-4101010101010101010波長m剛 Hz電磁波譜成員的一些資料和應用無線電波：通訊、無線電廣播圖中的設置可以產生無線電波。

一般只顯示電場的振動振盪的電勢令天線內的電子上下振動當發出的無線電波與電子振動垂直時，波振幅 A會最大而其他的方向，波振幅將會是Acosr微波：雷達、（衛星）通訊、煮食 微波發射器、微波接收器紅外線： 遙控器、焗爐、焗乾油漆、航海通訊和溫室光電晶體管（紅外線接收器） 發熱的物體會產生紅外線紅外線又可稱為熱幅射可見光:人眼能看見的範圍紫外線：檢驗紙幣，亦能令螢光物質發亮、皮膚曬黑這是由受激原子或分子發射大部份由太陽發射的紫外線會被臭氧層吸收因此，臭氧層保護 我們暴露在此有害輻射之下，防止皮膚癌的出現非常熱的物體會產生紫外線紫外線探測器X-射線:醫療上的應用（容後）X-射線管、照相底片射線：放射治療這是由不穩定的 原子核發射出來容後）照相底片p3/8電磁波與偏振 波動學電磁波的共通特性各電磁波都能通過真空各電磁波在真空中的速率是 c = 3 108 m s'而且c=f・ 各電磁波是橫波而會偏振17.3偏振 圖中是一個沿x-方向移動的橫波，其干擾可以在y-z平面的任何 方向振動x前進方向振動面的俯視圖若波動的干擾在各方向均相等或完全隨機，我 們稱之為非偏振波部份偏振波是指波動的干擾會在某一方向特別 強，而垂直此方向則特別弱。

偏振波是指波動的干擾只會在某一方向進行偏振「即偏振的狀況」只會在橫波情況下發生縱波是不會進行 偏振17.3光的偏振 用電場表示光的偏振方向例 17-1 水平偏振波 這波動的干擾是在水平方向岀現 繪畫一由天線產生的水平偏振波，並且沿 x-軸移動zz-偏振波E天線應沿z軸放置波動學 p#/8電磁波與偏振共有三種方法令非偏振光變成偏振光: 選擇吸收、反射和散射 選擇吸收產生偏振偏振片「或偏振器」是一塊晶體它讓某一個特定平面內的光振動即電場振動透射，但吸收在與上 述平面垂直的平面內的振動分辨不同類型的偏振的實驗偏振片光源华 / * 觀察者如圖設置透過偏振片觀察光源在偏振片的平面上轉動偏振片360°觀察透過偏振片的亮度變化結果和結論倘亮度保持不變，光源發出非偏振光倘亮度變暗兩次，光源發出部份偏振光倘亮度有兩次完全消失，光源發出面偏振光理論偏振片內的分子是長鏈狀當非偏振光通過、例如鉛直長鏈分子後，垂直方向的電場會將鏈 狀分子內的電子振動並因此被吸收但是因為電子不可能在相鄰鏈狀分子之間移動，所以通過的光會 變成水平偏振在首個實驗中，不論哪一個方向的電場被吸收了，餘下電場的強 度均是相同因此，當轉動偏振片時， 亮度保持不變。

在第二個實驗中，倘強度最強的電場被吸收了，餘下電場的強度 將最弱；相反地，倘倘強度最弱的電場被吸收了，餘下電場的強 度將最強因此，當轉動偏振片 360°時，亮度變暗兩次在最後一個實驗中，當惟一方向的電場被吸收後，所有光將被阻 隔因此，亮度有兩次完全消失電磁波與偏振微波偏振的示範實驗檢流計微波發射器12 V d.c.如圖設置實驗啟動微波發射器觀察檢流計讀數將發射器沿其中軸轉動90°觀察檢流計讀數 結果和結論當發射器轉動90°後，檢流計讀數下降至零 發射器產生的微波是面偏振波金屬柵金屬柵的正面跟著放置一塊金屬柵在發射器和接收器中間，如圖所示觀察檢 流計讀數將發射器沿其中軸轉動90°觀察檢流計讀數結果和結論首先讀數差不多是零發射器產生的微波是垂直偏振，所以會被 垂直的金屬柵吸收跟著，讀數會變成最大值原因是水平偏振的電場不可能被垂直 的金屬柵吸收理論微波的垂直電場會令垂直金屬柵內的電子振動，微波並且因此被 吸收或反射但是，因為電子不可能在相鄰柵的金屬線間移動，所以水平分量 的電場則不會被影響反射產生偏振在一般情況，由物質反射的光是部份偏振但是，當入射角符合以下條件：反射角與折射角互相垂直時，則反射光將會是面偏振光。

折射光永遠是部份偏振非偏振光側面的表示方法非偏振光正面的表示方法㊉電磁波與偏振 波動學考慮入射光如圖所示，分解成兩個分量當 I = Ip,—但是跟著Ip r 90° = 180°r = 90°-ipnini sin 丁 = n2 sin xsi nip = n2 sin(90° - Ip)丄. n2倘介質1是空氣或真空，即Ip =該物質或介質的偏振角 n =該物質或介質的折射率tan ip 二 n這就是布魯斯定律例如：水的 n = 1.33則ip = 53°例 17-2一面偏振光線以偏振角入射某物質，如圖所示該物質 的臨界角是24.4°求入射角和說明入射光的偏振方向解n = 1/Si nC = n = 2.42tanip = n = ip = 67.6因為入射光沒有水平的電場振動，所以沒有反射光般情況下，偏振角入射的反射光是水平偏振顯示反射造成偏振的實驗光源 .*住 （丿 觀察者偏振片I I反光面如圖設置實驗通過一偏振片觀察反光面偏振片的方向應調校至吸收水平偏振光改變俯角直至反射光消失電磁波與偏振 波動學 p7/8理論當非偏振光入射反光表面，電磁波的電場會令玻璃中的電子就沿（透射光的）電場方向振動。

電荷的振盪會產生電磁波，所以分子隨 即再發射出光（反射）對於振動的電子，其振盪電場若是入紙和出紙方向，則反射是有 效地輻射但若其振盪電場是在紙平面，方向會與反射光非常接近，所以此 反射光會相對較弱因此，反射光是部份偏振當反射光是垂直於折射光時，偏振是完全的這是因為只有一平面的電場矢量可以被反射，另一平面的反射將會是縱向的振盪， 是不可能折射光由此至終都是部份偏振，但會其偏振程度比反射光的較輕 微散射產生偏振當非偏振光入射分子時，光會被吸收然後，振盪的電子令分子 再發射電磁波與玻璃反射不同之處是光會向所有方向再發射垂直於入射光線的散射光是面偏振在這些散射光中，與入射光垂直的將會是完全偏振這是因為光的橫波特性，令該方向只有一個平面的電場振盪可以 存在顯示散射造成偏振的實驗小型強光源偏振片混合一滴牛奶的水及透明水箱、 觀察者如圖設置實驗電磁波與偏振 波動學 一束強非偏振光通過一槽混濁的水 在不同方向，通過偏振片觀察水箱射出的散射光 在偏振片的平面上轉動偏振片結果及結論 從垂直入射光方向觀察，光線會被阻隔兩次 垂直於入射光的散射光是面偏振 沿入射光方向觀察，光線的亮度不變 依原來方向的光是非偏振。

在其他方向觀察，散射光線會變暗兩次 其他方向的散射光是部份偏振偏振的應用 香港的無線電廣播中的 AM 「調幅」訊號一般是鉛直偏振； 無線電廣播中的FM「調頻」訊號「VHF 100MHz甚高頻」則一般 是水平偏振電視訊號「 UHF 400 MHz 超高頻」是透過鉛直及水平偏振廣播 接收電場的金屬棒形天線應與傳訊電波的電場方向平行 接收磁場的金屬環形天線「或棒形電感器」應與傳訊電波的磁場 方向垂直要有好的訊號接收，天線的方向必須且指向發射台由水面反射的太陽光或由天空散射下來的光是一般假設成 「水平」 部份偏振要減低眩光，太陽眼鏡會使用垂直偏振片，當中的長鏈狀分子是 水平地排列以吸收眩光的水平方向電場晴天藍色的天空和日落紅色的天空均是用散射解釋 空氣分子的固有頻率與紫外線接近，所以空氣分散射可見光中的 紫光部份是較有效在正午時份，太陽光通過的較薄大氣層 只有藍光和紫光會較有效地散射 但因為人眼對紫光不靈敏 因此，太陽看似是白色而天空是藍色 在日落時，太陽光通過較厚的大氣層只有紅光的散射較輕微 因此，太陽看似較紅色和較大。