偏振光的原理探究與實(shí)際應(yīng)用

[摘 要]光的干涉和衍射說明光具有波動(dòng)性，光的偏振進(jìn)一步證實(shí)了光是橫波。近些年隨著人們對(duì)光研究的不斷加深，對(duì)于偏振光原理的認(rèn)識(shí)以及應(yīng)用也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。偏振光的特殊性和光學(xué)元件的發(fā)展，擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域。如今，偏振光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為光學(xué)技術(shù)的主要分支之一，其應(yīng)用范圍也已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，如物理、化學(xué)、生物、天文、地理、大氣、海洋、通訊以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、軍事、生活等各個(gè)領(lǐng)域。

[關(guān)鍵詞]偏振光；橫波；光學(xué)技術(shù)

一、光的分類

光按其偏振態(tài)不同可分為三類：非偏振光、完全偏振光和部分偏振光。

（一）非偏振光（自然光）

普通光源發(fā)出的光方向可以取與傳播方向垂直的任何方向，而且每一個(gè)方向的振幅都相等，這種光稱為非偏振光或者自然光。普通光源是由大量原子或分子組成的，所以，普通光源發(fā)出的光是由大量原子或分子發(fā)出的光復(fù)合而成的。每個(gè)原子或分子在某一瞬間發(fā)出的光，其光矢量E都與光的傳播方向垂直，并具有—定的振動(dòng)方向。但是，不同原子或分子的發(fā)光過程是完全獨(dú)立、彼此無關(guān)，它們?cè)谕粫r(shí)刻發(fā)出的光，光矢量E的振動(dòng)方向是隨機(jī)的。另外，即使是一個(gè)原子或分子先、后連續(xù)發(fā)出的兩個(gè)光波，其光矢量E的振動(dòng)方向一般也不同。由此可見，普通光源發(fā)出的光的光矢量E在垂立于傳播方向的平面上將隨機(jī)取向，光矢量E的振幅都相等或光矢量E以傳播方向?yàn)檩S對(duì)稱分布。

（二）完全偏振光

完全偏振光又分成兩種，即線偏振光和橢圓偏振光（包括圓偏振光）。

1. 線偏振光

如果在垂直于傳播方向的平面上，光矢量E只沿一個(gè)確定的方向振動(dòng)，這種光就是一種完全偏振光，又稱為線偏振光或平面偏振光。線偏振光的光矢量的振動(dòng)方向與傳播方向組成的平面稱為振動(dòng)面。

2.橢圓偏振光

如果光矢量E在沿著光的傳播方向前進(jìn)的同時(shí)，還繞著傳播方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。如果光矢量在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中其大小不斷變化，且在正對(duì)光的傳播方向觀察，其端點(diǎn)畫出一個(gè)橢圓，這種完全偏振光就叫做橢圓偏振光。如果光矢量在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中大小不變，其端點(diǎn)圓出一個(gè)圓，這種光就成了圓偏振光。實(shí)際上，橢圓偏振光或圓偏振光可以看成是兩個(gè)相互垂直且有一定相位差的線偏振光的合成。

（三）部分偏振光

在垂直于傳播方向的平面上，如果光矢量E可以取任何方向，但在不同方向上，其振幅不同，在某一方向上的光振動(dòng)較強(qiáng)，而在與之垂直方向上的光振動(dòng)較弱，這種光稱為部分偏振光。

二、偏振光技術(shù)的應(yīng)用

（一）偏振光技術(shù)在立體電影中的應(yīng)用

立體電影即3D電影，它是一種三維空間電影，普通電影只有上下和左右兩個(gè)維度，也就是2D電影，3D電影除了上下、左右兩個(gè)維度外，又增加了一個(gè)新的維度——前后。其原理是用左右兩個(gè)物鏡分別攝取與人眼觀察到相似的左右兩幅景物的圖像。在一個(gè)鏡頭前加入一塊X方向的偏振片，在另一個(gè)鏡頭前加Y方向的偏振片。再將這兩個(gè)鏡頭并列，中間保持和人眼之間類似的距離進(jìn)行拍攝。放映時(shí)觀眾亦戴上一副偏振方向相互垂直的偏光眼鏡，使左眼只能看到左邊放映物鏡投射到銀幕上的畫面，右眼只能看到右邊物鏡投射到銀幕上的畫面；兩者在大腦中匯合，從而產(chǎn)生立體感。

早期采用的是線偏振光進(jìn)行拍攝，在觀看立體電影時(shí)要求觀眾視線一直要保持水平狀態(tài)，坐姿要筆直，不然就會(huì)出現(xiàn)重影。后來在線偏光的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了圓偏振技術(shù)，圓偏振光相互間的干擾較小，對(duì)觀眾的坐姿和可視角度的要求都大大降低，更方便人們觀看。

如今電影院多采用杜比3D數(shù)字影院技術(shù)。杜比3D數(shù)字立體電影與膠片立體電影的放映相比，具有畫面清晰、穩(wěn)定、無明顯重影等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也降低了眼睛的疲勞程度。

（二）偏振光技術(shù)在測定液體濃度中的應(yīng)用

旋光計(jì)通過測定溶液的旋光率從而測定溶液的濃度。旋光計(jì)由單色光源、偏光鏡、測量管、檢偏鏡和檢測裝置組成。當(dāng)測量管中不含樣品時(shí)，把偏光鏡和檢偏鏡調(diào)成90°角，此時(shí)無光線通過， 檢測裝置的視野為全暗。如在管中裝上待測旋光物質(zhì)的溶液時(shí)，由于旋光，即有部分光線通過，在檢測裝置的視野中將看到光亮，將檢偏鏡旋轉(zhuǎn)到視野又變?yōu)槿担?檢偏鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即樣品的旋光度。工業(yè)生產(chǎn)中常利用旋光計(jì)來測定糖溶液的濃度，不同濃度的糖溶液其旋光角θ不同，通過測定未知濃度糖溶液的θ角，之后與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，最后就可得知被測樣品的濃度。

旋光性除了應(yīng)用于旋光計(jì)測量溶液濃度外，近些年還制成了偏光顯微鏡，廣泛應(yīng)用于礦物學(xué)、巖石學(xué)、金屬和冶金等方面。

（三）偏振光技術(shù)在汽車前燈和擋風(fēng)玻璃上的應(yīng)用

夜間行駛的車輛大多會(huì)打開前燈，而這耀眼的燈光對(duì)于迎面而來的汽車司機(jī)來講是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)槿搜勖鎸?duì)強(qiáng)光，視覺會(huì)短暫消失一段時(shí)間，雖然時(shí)間極短，但對(duì)夜車司機(jī)來講卻是致命的。為了減小夜間相向而行的汽車燈光對(duì)司機(jī)的影響，人們開始考慮如何削弱入射到司機(jī)眼睛的光強(qiáng)度。

有研究人員意識(shí)到利用偏振光技術(shù)可以解決這一問題。首先在汽車的頭燈和擋風(fēng)玻璃上都安裝與水平方向車成45°角的偏振片，當(dāng)自己車燈發(fā)出的光照射到物體時(shí)會(huì)被反射，由于物體表面不光滑，所以反射光也為自然光，可以透過擋風(fēng)玻璃前的偏振片進(jìn)入駕駛員的眼睛；迎面行駛來的車輛由于偏振方向恰好與自己的垂直，所以其前燈直射來的光通過擋風(fēng)玻璃時(shí)會(huì)被削弱，而對(duì)方車燈經(jīng)過路面反射的光同樣會(huì)進(jìn)入司機(jī)視線，因此反射光基本不減弱，駕駛員可以看清前方的道路和周圍物體。這一裝置提高了夜間行車的安全性，也避免了兩車相遇時(shí)交替關(guān)閉大燈的麻煩。

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