光的偏振及應(yīng)用

光的偏振

偏振是橫波區(qū)別于其他縱波的標(biāo)志。那么什么是偏振呢？偏振是振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性，具有偏振性的光則稱為偏振光。光波是電磁波，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和磁振動矢量都與傳播速度垂直，因此，光波是橫波。

按照偏振特征，光波可分為自然光、部分偏振光、線偏振光、圓偏振光，橢圓偏振光。光源發(fā)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(guī)則取向，統(tǒng)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，他們的總和與光的傳播方向是對稱的，即光矢量具有軸對稱、均勻分布、各方向振動的振幅相同，這種光稱為自然光。

01偏振光

偏振光是指光矢量的振動方向不變，或具有某種規(guī)則變化的光波。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有相對優(yōu)勢，這種偏振光為部分偏振光；如果光波電矢量的振動方向只局限在一個特定的平面內(nèi)，稱為線偏振光，兩分量相位差為kπ（其中k為整數(shù)）；如果光矢量隨時間作有規(guī)則地改變，電矢量末端軌跡在垂直于傳播方向的平面上呈圓形（相位差為kπ/2，k為奇數(shù)）或橢圓形（相位差不為kπ/2，k為整數(shù)），則稱為圓偏振光或橢圓偏振光。

各種偏振光的矢量分布

偏振度可以描述偏振性的強弱，設(shè)其優(yōu)勢振動方向的光強為：

處于最劣勢的振動方向光強為：

偏振度：

（1）對于自然光，P=0;

（2）對于線、圓和橢圓偏振光，P=1;

（3）對于部分偏振光，0＜P＜1。

02偏振應(yīng)用

1. 液晶顯示器

液晶顯示器（LCD）是一種電子顯示器，采用液晶材料來控制光的偏振方向，從而實現(xiàn)圖像顯示。液晶材料在不同的電壓下，液晶分子的曲向會發(fā)生變化，進(jìn)而改變光的偏振態(tài)，采用上偏振片、液晶材料、下偏振片的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)像素點的亮度調(diào)節(jié)，最終呈現(xiàn)出圖像。

液晶顯示結(jié)構(gòu)

2. 偏振鏡

偏振鏡是一種能夠選擇性地通過或者阻擋光線的光學(xué)元件，它把與偏振鏡透光軸方向垂直部分的電磁場分量濾掉，保留與偏振鏡透光軸方向相同的電磁場分量。偏振鏡被廣泛應(yīng)用于光路選擇、濾波、干涉等方面。在日常生活中，偏振鏡也被應(yīng)用于3D眼鏡、太陽鏡、相機鏡頭等。

3. 偏振相機

由于人眼的生理結(jié)構(gòu)限制，在不借助于光學(xué)器件的條件下，裸眼無法感知光的偏振特性。人們?yōu)榱讼駨?fù)眼昆蟲一樣也能夠看到偏振光，便研發(fā)了專門用于偏振成像的設(shè)備，我們稱之為偏振相機。對于軍用無人機等低、慢、小目標(biāo)，早期發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要，然而這些軍事目標(biāo)的涂裝往往是低對比度的淺灰色，容易和天空背景混為一體，用傳統(tǒng)相機難以發(fā)現(xiàn)。

使用偏振相機的優(yōu)勢巨大：由于目標(biāo)的表面材質(zhì)與背景差異巨大，因此在偏振圖像中不會受到背景的復(fù)雜紋理影響，可輕易從中提取有用的目標(biāo)信息。

（a）強度信息

（b）成像場景的偏振度

（c）線偏振角度

光的偏振不僅在光學(xué)儀器中扮演著重要的角色，也在日常生活和現(xiàn)代科技中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科技的不斷發(fā)展，相信光的偏振在更多領(lǐng)域中將會得到更加廣泛的應(yīng)用。