偏振光的產生及其應用

宋霄森

摘 要：振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做偏振，它是橫波區別于其他縱波的一個最明顯的標志，只有橫波才有偏振現象。光波是電磁波，因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向。光波中的電振動矢量E和磁振動矢量H都與傳播速度v垂直，因此光波是橫波，它具有偏振性。具有偏振性的光則稱為偏振光。隨著偏振光技術的發展，其在生活中的應用也越來越廣泛，該文通過對偏振光的分析，全面地介紹了光的分類，產生方法及應用。

關鍵詞：光學；偏振光；雙折射；振動

一、偏振光的定義及分類

偏振光是指光矢量的振動方向不變，或具有某種規則地變化的光波。按照其性質，偏振光又可分為平面偏振光（線偏振光）、圓偏振光和橢圓偏振光、部分偏振光幾種。如果光波電矢量的振動方向只局限在一確定的平面內，則這種偏振光稱為平面偏振光，因為振動的方向在傳播過程中為一直線，故又稱線偏振光。如果光波電矢量隨時間作有規則地改變，即電矢量末端軌跡在垂直于傳播方向的平面上呈圓形或橢圓形，則稱為圓偏振光或橢圓偏振光。如果光波電矢量的振動在傳播過程中只是在某一確定的方向上占有相對優勢，這種偏振光就稱為部分偏振光。

光波是橫波，即光波矢量的振動方向垂直于光的傳播方向。通常，光源發出的光波，其光波矢量的振動在垂直于光的傳播方向上作無規則取向，但統計平均來說，在空間所有可能的方向上，光波矢量的分布可看作是機會均等的，它們的總和與光的傳播方向是對稱的，即光矢量具有軸對稱性、均勻分布、各方向振動的振幅相同，這種光就稱為自然

二、偏振光的產生

1. 直線偏振光的產生

（1）利用反射的布儒斯特定律—玻璃片堆獲取線偏振光

自然光射到兩種媒質的分界面上，要發生反射和折射，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動比較強，在折射光中，平行于入射面的光振動比較強。當入射角iB滿足taniB=n2/n1時，反射光中，平行于入射面的光振動消失，反射光成為振動方向垂直于入射面的線偏振光，而折射光仍為部分偏振光，此即為布儒斯特定律。自然光以布儒斯特角入射，通過玻璃片堆時，由于各個界面上的反射光都是光振動垂直于入射面的線偏振光，所以，每經過一次反射，折射光中垂直入射面的光振動就減弱一次，折射光的偏振化程度就高一些。當玻璃足夠多，投射出的折射光就接近光振動方向平行于入射面的線偏振光，稱為折射起偏。

（2）借助偏振片—利用物質的二向色性

物質的有選擇地吸收光波中兩個垂直分量之一的性質叫做二向色性。可以使天然光變成偏振光的光學元件叫偏振片。其中一種的制定方法是將具有網狀結構的聚乙烯醇高分子化合物薄膜作為片基，把它浸入碘液中，再經過硼酸水溶液還原穩定后，再把它定向拉伸 4-5倍，使大分子定向排列。即經拉伸后，使高分子材料由網狀結構變成線狀結構，碘分子則整齊地被吸附在該薄膜上形成細長碘鏈，只允許垂直于分子排列方向的光振動通過，即具有二向色性，從而可使自然光變成線偏振光。

2.橢圓偏振光和圓偏振光的產生

平面偏振光垂直入射波片，如果光軸平行于波片的表面會產生比較特殊的雙折射現象。這時，非常光e和尋常光o的傳播方向是一致的，但速度不同，因而從波片出射時會產生相位差Δ ψ=（2*π/λ）*（no-ne）*d.式中λ表示單色光在真空中的波長，no和ne分別為晶體中o 光和e光的折射率，d 為波片厚度。如果波片的厚度使產生的相位差Δψ=±（2*k+1）*π/2，這樣的波片稱為1/4波片。線偏振光通過1/4波片后，透射光一般是橢圓偏振光；當α=π/4時，o光和e光的振幅相等，出射光為圓偏振光。由此可知，1/4波片可將平面偏振光變成橢圓偏振光或圓偏振光。

三、偏振光的應用

1、汽車車燈

汽車夜間在公路上行駛與對面的車輛相遇時，為了避免雙方車燈的眩目，司機都關閉大燈，只開小燈，放慢車速，以免發生車禍。如駕駛室的前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片，而且規定它們的偏振化方向都沿同一方向并與水平面成45度角，那么，司機從前窗只能看到自已的車燈發出的光，而看不到對面車燈的光，這樣，汽車在夜間行駛時，既不要熄燈，也不要減速，可以保證安全行車。

另外，在陽光充足的白天駕駛汽車，從路面或周圍建筑物的玻璃上反射過來的耀眼的陽光，常會使眼睛睜不開。由于光是橫波，所以這些強烈的來自上空的散射光基本上是水平方向振動的。因此，只需帶一副只能透射豎直方向偏振光的偏振太陽鏡便可擋住部分的散射光。

2、觀看立體電影

在拍攝立體電影時，用兩個攝影機，兩個攝影機的鏡頭相當于人的兩只眼睛，它們同時分別拍下同一物體的兩個畫像，放映時把兩個畫像同時映在銀幕上。如果設法使觀眾的一只眼睛只能看到其中一個畫面，就可以使觀眾得到立體感。為此，在放映時，兩個放像機每個放像機鏡頭上放一個偏振片，兩個偏振片的偏振化方向相互垂直，觀眾戴上用偏振片做成的眼鏡，左眼偏振片的偏振化方向與左面放像機上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向與右面放像機上的偏振化方向相同，這樣，銀幕上的兩個畫面分別通過兩只眼睛觀察，在人的腦海中就形成立體化的影像了。

3、攝像機鏡頭

自然光在玻璃、水面、木質桌面等表面反射時，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角變化時，偏振的程度也有變化。在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會出現耀斑或反光，這是由于反射光波的干擾而引起的。如果在拍攝時加用偏振鏡，并適當地旋轉偏振鏡片，讓它的透振方向與反射光的透振方向垂直，就可以減弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。

4、LCD液晶屏

LCD技術是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直（相交成90度）。也就是說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子東西向排列，而位于兩個平面之間的分子被強迫進入一種90度扭轉的狀態。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經過液晶時也被扭轉90度。但當液晶上加一個電壓時，分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發生任何扭轉。

LCD是依賴極化濾光器（片）和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機發散的。極化濾光器實際是一系列越來越細的平行線。這些線形成一張網，阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個垂直，所以能完全阻斷那些已經極化的光線。只有兩個濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉到與第二個極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。

LCD正是由這樣兩個相互垂直的極化濾光器構成，所以在正常情況下應該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個濾光器后，會被液晶分子扭轉90度，最后從第二個濾光器中穿出。另一方面，若為液晶加一個電壓，分子又會重新排列并完全平行，使光線不再扭轉，所以正好被第二個濾光器擋住。總之，不加電將光線射出，加電則使光線阻斷。

四、結束語

除以上舉出的幾種偏振光的應用例子。還有許多利用偏振光的測量儀器或信息傳遞手段。另外，利用偏振光的基礎研究也很活躍。比如，通過高分子材料內的偏振光狀態變化，研究高分子的大小及配位狀態等類似的物理和化學的研究。由此可見，偏振光的應用已經被普及到生活各處，也必將更有發展。

參考文獻：

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