浅谈偏振光的产生和应用

摘 要：光的偏振是一种物理现象。随着时代的发展，光的偏振现象被越来越多的人熟知和应用。光的偏振现象也使得人类对光传播的规律理解更进一步，是人类在光学研究中一大突破。现阶段，偏振光已广泛应用于國防，科研，生产和生活之中。本文对于偏振光的产生和应用进行了一定的阐述。

关键词：光的偏振 偏振状态 偏振光

一、偏振光的定义及分类

（一）偏振光的定义

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，这种光被称为自然光。而偏振光指的是其振动方向恒定，或者是具有一定规律性的光矢量。偏振光的产生是由于光矢量分布不均匀。

（二）偏振光的分类

完全偏振光：根据光波电矢量端部波前轨迹形状的不同，偏振光大致可分为平面偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光三种类型。平面偏振光和圆偏振光都属于椭圆偏振光，是它的一种特殊存在形式。椭圆偏振光和圆偏振光能够看成是具有恒定相位关系和垂直振动方向的两个线偏振光的组合。

部分偏振光：部分偏振光的偏振态相对于完全偏振光的偏振态来说要更加复杂一些。简单来说，在垂直于光传播方向的平面上，含有各种振动方向的光矢量，如果光振动在某一方向更显著，使得光的偏振态并不均匀，这时就会产生部分偏振光。不难看出，部分偏振光其实是自然光和完全偏振光的叠合。

二、常用的偏振光产生方法

方法一：可以通过反射、双折射、多重折射和选择性吸收等几种方法来获得平面偏振光。反射光为完全偏振光，其特征是平行于入射平面的振动比垂直于入射平面的振动小一些。折射光是部分偏振光。一般光学玻璃具有以上的特性。因此，利用多个平行玻璃片就可以获得平面偏振光。

方法二：使用偏振片产生偏振光。偏振片可以吸收垂直振动的光，是一种采用特殊方法制造的薄膜，它具有二色性。这意味着某些物质可以吸收光在某一方向上的振动，并且只允许垂直于光的振动方向的通道。因此，可以利用偏振膜的二色性来获得偏振光。当自然光从偏振器穿过时，透射光变成平面偏振光。偏光片很容易制造，它是一种被广泛使用的偏振器。

方法三：使用晶体双折射产生偏振光

例如，在方解石晶体中，当光束穿过晶体产生普通光和不寻常光时，双折射就发生了。这是因为普通光遵循折射定律，而不寻常的光并不遵循折射定律。实验表明，普通光和非寻常光这两种光都属于偏振光的一种。

三、偏振光的应用现状

由于人们对偏振光认识的不断完善，科学技术不断发展，偏振光在我们的生产生活中得到了广泛的应用。

（一）偏振光在日常生活中应用

1、偏振光可以使人们观看立体电影

立体胶片由两个摄像机组成。两个相机同时拍摄同一个物体的两张照片，并且在显示影片的同时在屏幕上显示这两幅肖像。在影片放映的时候，如果在每个投影仪镜头上放置偏振器，则来自两个投影仪的光通过偏振器并变成偏振光。此时，观众将由偏振器制成的眼镜佩戴上，每只眼睛对应的偏振器的偏振方向与相应的投影仪的偏振方向一致。如此一来，每只眼睛只能看到相应的偏振图像。通过这种方式，观众观看电影时，立体的感觉就会产生，这也就是3D电影的原理。

2、偏振光在驾驶中的应用

汽车的前照灯和前车窗玻璃使用偏振光玻璃的话，就可以防止强光的照射，保障驾驶员安全驾驶。当一辆车在夜间行驶时，前灯发出强烈的光，使汽车对面的司机睁大眼睛，因为它们太过刺眼。这将严重影响驾驶员夜间行车的安全。如果玻璃的偏振正好垂直于光的振动，则驾驶员可以看到由汽车的光反射的物体。同时也可以避免对面汽车发出的的强光，使得夜间驾驶更安全。此外，在阳光普照的日子里，司机道路或路侧建筑物经常反射的光线干扰。由于光是横波，所以影响驾驶员视觉的散射光大部分在水平方向上振动。因此戴偏光太阳镜来抵抗一部分散射光也是驾驶员的不二选择，能够给驾驶证的安全驾驶带来一定的保障。

3、偏振现象在摄影中的应用

在摄影中，为了在不同的自然条件下获得满意的照片，通常会使用不同的镜头或者加一个镜片，其中有一种镜片就是偏光镜。偏光镜有一个用途就是可以更好地拍摄水中的各种物体。例如，摄影师想要拍摄水中的鱼，此时相机最大的问题是水面反射的光线摄影师看不见水下的鱼。在透镜前面放置一个偏振器，摄影师将相机对准海岸上大约53度，并在透镜前面旋转偏振器，使得偏振方向垂直于反射光的偏振平面。这能够将反射光的影响降到最低，最终得到清晰的鱼的图像。

4、液晶显示器的使用

液晶显示器是一种具有光偏振调制功能的信息显示设备。它的主要结构是两个对齐玻璃板之间注入液晶分子，在透明电极用于施加电场，将改变液晶内部分子的排列顺序。由此改变液晶分子的光电性质，从而对光进行调制。上、下玻璃基板的每一侧增加偏振器，以解调输出光强。光源发出的光在液晶显示器的入射偏振片通过时，自然光就会转变成平面偏振光。并且在没有外部电场施加到液晶盒的情况下，入射偏振光会沿液晶分子的方向旋转。显示屏输出暗状态是因为操作模式在正常黑的状态时，偏振光会被出口偏振器吸。由于液晶分子影响不到入射偏振光的偏振态，并且与出口偏振器穿透轴的方向保持一致。如此一来，明亮的状态也可以通过出口偏振器形成。所以可以通过对于电压的调整获得明暗对比显示的效果。

5、生物生理机能

人眼并不能直接分辨光的偏振状态，但有些昆虫的眼睛对光的偏振现象十分的敏锐。例如，蜜蜂一共有五只眼睛，包括三只单眼和两只复眼，并且每只眼睛上还有数以千计的小眼睛。蜜蜂的这些小眼睛可以根据太阳的偏振来定位太阳的方位，然后确定太阳的方向进行指向标记，这样蜜蜂就可以引导它的同类到它找到的花丛所在的位置。

（二）偏振光的其他应用

1、偏振光显微镜

在现代科学研究之中，一般的大型光学显微镜和一些台式机都配备了偏振光装置。加入这种装置之后，就可在开放视野、暗视野和偏振光中同时进行观察，获得更为准确的观察结果。在入射光路和观察镜中加入偏振片，构成显微镜的偏振光器件。它将来自光源的自然光转换成线性偏振光，并区分线性偏振光和金属研磨表面，之后发射光的偏振态。

2、光弹性方法

光弹性法是偏振光在科研领域的又一个应用实例。当工程构件承受荷载时，内应力一般不均匀，构件的失效总是从最大应力所在位置开始。对于复杂形状的构件，在复杂载荷作用下进行理论分析和计算是非常困难的，甚至是不可能的。将偏振光应用到工程构建之中去，这为实验应力分析提供了很大的方便。

天然方解石晶体能够永久的进行双折射，这种效应也称为永久双折射。一些人工透明材料在外力作用之下具有双折射特性，这种双折射特性称为人工折射。去除外力后，如果没有内部应力，双折射将消失。利用人工双折射材料构成的制造构件模型。对模型进行了加热和外力作用。冷却后，外力被消除，在此基础上，保持了双折射材料模型中的应力。模型被切成薄片。模型片放置在偏振器和偏光室之间。由于双折射效应，模型板在不同应力区域的折射率不同。将产生光弹性条纹。在视场中同时出现两种黑色条纹，即等色条纹和等斜条纹，分别对应于相同的主应力差和相同的主应力方向。这个时候，只要对等压线和等腰线进行分析，就能够得到相应的内部结构应力分布。

总结

在现代科学技术之中，对于偏振光有着不计其数的应用实例。利用好偏振光可以解决生活中的许多问题，也能够为我们的生产和生活提供巨大的方便，包括观看3D电影以及提升驾驶员驾驶时的安全性等等。随着时代的变迁，对于偏振光的应用也将不断完善和进步。

参考文献：

[1] 偏振光 百度百科

[2] 王振华，李劲松.径向偏振光的产生及在现代光学中的应用[J].激光杂志，2009，（1）

作者简介：李翔泽（2002—），汉族，籍贯：湖北省孝感市，武汉市第二中学。