淺談偏振光的產生和應用

摘 要：光的偏振是一種物理現象。隨著時代的發展，光的偏振現象被越來越多的人熟知和應用。光的偏振現象也使得人類對光傳播的規律理解更進一步，是人類在光學研究中一大突破。現階段，偏振光已廣泛應用于國防，科研，生產和生活之中。本文對于偏振光的產生和應用進行了一定的闡述。

關鍵詞：光的偏振 偏振狀態 偏振光

一、偏振光的定義及分類

（一）偏振光的定義

通常，光的矢量被包含在光源的所有方向上，并且它的振幅在所有可能的方向上都是相等的，這種光被稱為自然光。而偏振光指的是其振動方向恒定，或者是具有一定規律性的光矢量。偏振光的產生是由于光矢量分布不均勻。

（二）偏振光的分類

完全偏振光：根據光波電矢量端部波前軌跡形狀的不同，偏振光大致可分為平面偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光三種類型。平面偏振光和圓偏振光都屬于橢圓偏振光，是它的一種特殊存在形式。橢圓偏振光和圓偏振光能夠看成是具有恒定相位關系和垂直振動方向的兩個線偏振光的組合。

部分偏振光：部分偏振光的偏振態相對于完全偏振光的偏振態來說要更加復雜一些。簡單來說，在垂直于光傳播方向的平面上，含有各種振動方向的光矢量，如果光振動在某一方向更顯著，使得光的偏振態并不均勻，這時就會產生部分偏振光。不難看出，部分偏振光其實是自然光和完全偏振光的疊合。

二、常用的偏振光產生方法

方法一：可以通過反射、雙折射、多重折射和選擇性吸收等幾種方法來獲得平面偏振光。反射光為完全偏振光，其特征是平行于入射平面的振動比垂直于入射平面的振動小一些。折射光是部分偏振光。一般光學玻璃具有以上的特性。因此，利用多個平行玻璃片就可以獲得平面偏振光。

方法二：使用偏振片產生偏振光。偏振片可以吸收垂直振動的光，是一種采用特殊方法制造的薄膜，它具有二色性。這意味著某些物質可以吸收光在某一方向上的振動，并且只允許垂直于光的振動方向的通道。因此，可以利用偏振膜的二色性來獲得偏振光。當自然光從偏振器穿過時，透射光變成平面偏振光。偏光片很容易制造，它是一種被廣泛使用的偏振器。

方法三：使用晶體雙折射產生偏振光

例如，在方解石晶體中，當光束穿過晶體產生普通光和不尋常光時，雙折射就發生了。這是因為普通光遵循折射定律，而不尋常的光并不遵循折射定律。實驗表明，普通光和非尋常光這兩種光都屬于偏振光的一種。

三、偏振光的應用現狀

由于人們對偏振光認識的不斷完善，科學技術不斷發展，偏振光在我們的生產生活中得到了廣泛的應用。

（一）偏振光在日常生活中應用

1、偏振光可以使人們觀看立體電影

立體膠片由兩個攝像機組成。兩個相機同時拍攝同一個物體的兩張照片，并且在顯示影片的同時在屏幕上顯示這兩幅肖像。在影片放映的時候，如果在每個投影儀鏡頭上放置偏振器，則來自兩個投影儀的光通過偏振器并變成偏振光。此時，觀眾將由偏振器制成的眼鏡佩戴上，每只眼睛對應的偏振器的偏振方向與相應的投影儀的偏振方向一致。如此一來，每只眼睛只能看到相應的偏振圖像。通過這種方式，觀眾觀看電影時，立體的感覺就會產生，這也就是3D電影的原理。

2、偏振光在駕駛中的應用

汽車的前照燈和前車窗玻璃使用偏振光玻璃的話，就可以防止強光的照射，保障駕駛員安全駕駛。當一輛車在夜間行駛時，前燈發出強烈的光，使汽車對面的司機睜大眼睛，因為它們太過刺眼。這將嚴重影響駕駛員夜間行車的安全。如果玻璃的偏振正好垂直于光的振動，則駕駛員可以看到由汽車的光反射的物體。同時也可以避免對面汽車發出的的強光，使得夜間駕駛更安全。此外，在陽光普照的日子里，司機道路或路側建筑物經常反射的光線干擾。由于光是橫波，所以影響駕駛員視覺的散射光大部分在水平方向上振動。因此戴偏光太陽鏡來抵抗一部分散射光也是駕駛員的不二選擇，能夠給駕駛證的安全駕駛帶來一定的保障。

3、偏振現象在攝影中的應用

在攝影中，為了在不同的自然條件下獲得滿意的照片，通常會使用不同的鏡頭或者加一個鏡片，其中有一種鏡片就是偏光鏡。偏光鏡有一個用途就是可以更好地拍攝水中的各種物體。例如，攝影師想要拍攝水中的魚，此時相機最大的問題是水面反射的光線攝影師看不見水下的魚。在透鏡前面放置一個偏振器，攝影師將相機對準海岸上大約53度，并在透鏡前面旋轉偏振器，使得偏振方向垂直于反射光的偏振平面。這能夠將反射光的影響降到最低，最終得到清晰的魚的圖像。

4、液晶顯示器的使用

液晶顯示器是一種具有光偏振調制功能的信息顯示設備。它的主要結構是兩個對齊玻璃板之間注入液晶分子，在透明電極用于施加電場，將改變液晶內部分子的排列順序。由此改變液晶分子的光電性質，從而對光進行調制。上、下玻璃基板的每一側增加偏振器，以解調輸出光強。光源發出的光在液晶顯示器的入射偏振片通過時，自然光就會轉變成平面偏振光。并且在沒有外部電場施加到液晶盒的情況下，入射偏振光會沿液晶分子的方向旋轉。顯示屏輸出暗狀態是因為操作模式在正常黑的狀態時，偏振光會被出口偏振器吸。由于液晶分子影響不到入射偏振光的偏振態，并且與出口偏振器穿透軸的方向保持一致。如此一來，明亮的狀態也可以通過出口偏振器形成。所以可以通過對于電壓的調整獲得明暗對比顯示的效果。

5、生物生理機能

人眼并不能直接分辨光的偏振狀態，但有些昆蟲的眼睛對光的偏振現象十分的敏銳。例如，蜜蜂一共有五只眼睛，包括三只單眼和兩只復眼，并且每只眼睛上還有數以千計的小眼睛。蜜蜂的這些小眼睛可以根據太陽的偏振來定位太陽的方位，然后確定太陽的方向進行指向標記，這樣蜜蜂就可以引導它的同類到它找到的花叢所在的位置。

（二）偏振光的其他應用

1、偏振光顯微鏡

在現代科學研究之中，一般的大型光學顯微鏡和一些臺式機都配備了偏振光裝置。加入這種裝置之后，就可在開放視野、暗視野和偏振光中同時進行觀察，獲得更為準確的觀察結果。在入射光路和觀察鏡中加入偏振片，構成顯微鏡的偏振光器件。它將來自光源的自然光轉換成線性偏振光，并區分線性偏振光和金屬研磨表面，之后發射光的偏振態。

2、光彈性方法

光彈性法是偏振光在科研領域的又一個應用實例。當工程構件承受荷載時，內應力一般不均勻，構件的失效總是從最大應力所在位置開始。對于復雜形狀的構件，在復雜載荷作用下進行理論分析和計算是非常困難的，甚至是不可能的。將偏振光應用到工程構建之中去，這為實驗應力分析提供了很大的方便。

天然方解石晶體能夠永久的進行雙折射，這種效應也稱為永久雙折射。一些人工透明材料在外力作用之下具有雙折射特性，這種雙折射特性稱為人工折射。去除外力后，如果沒有內部應力，雙折射將消失。利用人工雙折射材料構成的制造構件模型。對模型進行了加熱和外力作用。冷卻后，外力被消除，在此基礎上，保持了雙折射材料模型中的應力。模型被切成薄片。模型片放置在偏振器和偏光室之間。由于雙折射效應，模型板在不同應力區域的折射率不同。將產生光彈性條紋。在視場中同時出現兩種黑色條紋，即等色條紋和等斜條紋，分別對應于相同的主應力差和相同的主應力方向。這個時候，只要對等壓線和等腰線進行分析，就能夠得到相應的內部結構應力分布。

總結

在現代科學技術之中，對于偏振光有著不計其數的應用實例。利用好偏振光可以解決生活中的許多問題，也能夠為我們的生產和生活提供巨大的方便，包括觀看3D電影以及提升駕駛員駕駛時的安全性等等。隨著時代的變遷，對于偏振光的應用也將不斷完善和進步。

參考文獻：

[1] 偏振光 百度百科

[2] 王振華，李勁松.徑向偏振光的產生及在現代光學中的應用[J].激光雜志，2009，（1）

作者簡介：李翔澤（2002—），漢族，籍貫：湖北省孝感市，武漢市第二中學。