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(dòng)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(dòng)矢量和磁振動(dòng)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(dòng)在垂直于光的傳播方向上作無規(guī)則取向，統(tǒng)計(jì)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(jī)會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)方向只局限在一個(gè)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(shí)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(qiáng)弱，設(shè)其優(yōu)勢振動(dòng)方向的光強(qiáng)為：

處于最劣勢的振動(dòng)方向光強(qiáng)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(shí)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(huì)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(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)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(jī)鏡頭等。

3. 偏振相機(jī)

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(jī)。對于軍用無人機(jī)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(jī)難以發(fā)現(xiàn)。

使用偏振相機(jī)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(huì)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(qiáng)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(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。