偏振光的产生及其应用

宋霄森

摘 要：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。具有偏振性的光则称为偏振光。随著偏振光技术的发展，其在生活中的应用也越来越广泛，该文通过对偏振光的分析，全面地介绍了光的分类，产生方法及应用。

关键词：光学；偏振光；双折射；振动

一、偏振光的定义及分类

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）、圆偏振光和椭圆偏振光、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。

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

二、偏振光的产生

1. 直线偏振光的产生

（1）利用反射的布儒斯特定律—玻璃片堆获取线偏振光

自然光射到两种媒质的分界面上，要发生反射和折射，反射光和折射光都是部分偏振光，在反射光中，垂直于入射面的光振动比较强，在折射光中，平行于入射面的光振动比较强。当入射角iB满足taniB=n2/n1时，反射光中，平行于入射面的光振动消失，反射光成为振动方向垂直于入射面的线偏振光，而折射光仍为部分偏振光，此即为布儒斯特定律。自然光以布儒斯特角入射，通过玻璃片堆时，由于各个界面上的反射光都是光振动垂直于入射面的线偏振光，所以，每经过一次反射，折射光中垂直入射面的光振动就减弱一次，折射光的偏振化程度就高一些。当玻璃足够多，投射出的折射光就接近光振动方向平行于入射面的线偏振光，称为折射起偏。

（2）借助偏振片—利用物质的二向色性

物质的有选择地吸收光波中两个垂直分量之一的性质叫做二向色性。可以使天然光变成偏振光的光学元件叫偏振片。其中一种的制定方法是将具有网状结构的聚乙烯醇高分子化合物薄膜作为片基，把它浸入碘液中，再经过硼酸水溶液还原稳定后，再把它定向拉伸 4-5倍，使大分子定向排列。即经拉伸后，使高分子材料由网状结构变成线状结构，碘分子则整齐地被吸附在该薄膜上形成细长碘链，只允许垂直于分子排列方向的光振动通过，即具有二向色性，从而可使自然光变成线偏振光。

2.椭圆偏振光和圆偏振光的产生

平面偏振光垂直入射波片，如果光轴平行于波片的表面会产生比较特殊的双折射现象。这时，非常光e和寻常光o的传播方向是一致的，但速度不同，因而从波片出射时会产生相位差Δ ψ=（2*π/λ）*（no-ne）*d.式中λ表示单色光在真空中的波长，no和ne分别为晶体中o 光和e光的折射率，d 为波片厚度。如果波片的厚度使产生的相位差Δψ=±（2*k+1）*π/2，这样的波片称为1/4波片。线偏振光通过1/4波片后，透射光一般是椭圆偏振光；当α=π/4时，o光和e光的振幅相等，出射光为圆偏振光。由此可知，1/4波片可将平面偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光。

三、偏振光的应用

1、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。

2、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。

4、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。

四、结束语

除以上举出的几种偏振光的应用例子。还有许多利用偏振光的测量仪器或信息传递手段。另外，利用偏振光的基础研究也很活跃。比如，通过高分子材料内的偏振光状态变化，研究高分子的大小及配位状态等类似的物理和化学的研究。由此可见，偏振光的应用已经被普及到生活各处，也必将更有发展。

参考文献：

[1]姚启钧，光学教程，北京高等教育出版社，2008.78-96

[2]沈君，偏振光的研究，实验技术，2003（6）；125-132

[3]晋亚超，偏振光的应用，测控技术实验，2008，22（4）；12-15