光偏振現(xiàn)象的應(yīng)用綜述

許寧

摘要：光波是橫波，具有偏振性。我們對光源、光的傳播過程以及人眼對光的偏振進行了分析，同時也對偏振光與消除偏振光進行了分析，綜述了光偏振在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用以及它的潛在應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光的偏振 ?偏振光 ?光偏振應(yīng)用

1 概述

對于我們身邊的光來說大部分是偏振光，只有少數(shù)如太陽光，宏觀上沒有偏振效果，所以我們稱為自然光。而光偏振現(xiàn)象是波動光學(xué)中一種重要現(xiàn)象，對于光的偏振現(xiàn)象的研究，使人們對光的傳播（反射、折射、吸收和散射等）的規(guī)律有了新的認識。特別是近年來利用光的偏振性所開發(fā)出來的各種偏振光元件、偏振光儀器和偏振光技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了極其重要的作用，在光調(diào)制器、光開關(guān)、光學(xué)計量、應(yīng)力分析、光信息處理、光通信、激光和光電子學(xué)器件等方面都有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。因此，光偏振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)以及應(yīng)用給人類生活帶來了很多方便。下面對光偏振的應(yīng)用進行分類綜述。

2 光偏振的應(yīng)用[4-6]

2.1 光偏振在光源處的應(yīng)用

2.1.1 臺燈安裝偏振片

臺燈一靠近人體，它對人眼的影響很大，人在看書時往往會有耀眼的光干擾，尤其對于紙質(zhì)非常光滑的書，人的眼睛如果長久在這樣的臺燈前看書就會受不了。其次，如果看書的人有時不小心看了臺燈一眼，眼睛因此會眼花而煩惱，這樣就會影響看書人的心情?，F(xiàn)在在臺燈燈罩上安裝一偏振片，就解決臺燈的這一缺點。偏振片的起偏方向為豎直方向，即燈光出來效果為豎直方向的偏振光，在水平方向很弱，這樣既沒有強光的耀眼效果，即使人體直視臺燈也不會眼花。

2.1.2 手機屏幕添加偏振片

現(xiàn)在手機功能太多，人類似乎離不開手機了，人們通常一天花很長時間在玩手機，這對眼睛傷害很大，尤其現(xiàn)在的酷炫游戲?qū)ρ劬Υ碳ぬ蟆，F(xiàn)在寬屏手機都貼一層保護膜。如果把偏振片添加到手機屏幕中，就可以消除游戲強光的影響，偏振片的安裝方向即偏振片的起偏方向可任意但一定要一致。因為偏振方向有交叉的話光線太弱而不能看清手機界面。

2.2 光偏振在光傳播過程的應(yīng)用

2.2.1 車燈和擋風(fēng)玻璃的應(yīng)用

汽車夜晚行駛時，開遠光燈的話，容易照射對方司機的眼睛而影響駕駛，戴一般的墨鏡也不能解決問題，因為對于近視眼司機就無法再佩戴墨鏡，同時開近光燈的話，又不能高速行駛。因此，應(yīng)用光的偏振現(xiàn)象就可以解決這個難題。

目前，很多汽車上的車燈與擋風(fēng)玻璃均安裝有偏振片，這樣設(shè)計司機就不用戴墨鏡開遠光燈也互不干擾。因此司機即使在白天，遇到路面強光時，裝上偏振片那就可以削弱一定的強光刺激了。因為路面反射光的偏振方向是水平的，根據(jù)馬呂斯定律I=I0（cosβ）^2，只針對偏振水平方向的光，則β為π/4，即水平方向的強光I=1/2I0削弱了一半。當(dāng)然把這原理應(yīng)用到車燈和擋風(fēng)玻璃，如圖1所示，改進車燈與車擋風(fēng)玻璃的偏振方向，就可直接削弱水平強光。

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圖1 ?汽車車燈與擋風(fēng)玻璃的偏振方向

2.2.2 在攝影機鏡頭上的應(yīng)用

根據(jù)布儒斯特定律，自然光在物體發(fā)生反射和折射時，反射光和折射光都是偏振光，當(dāng)入射光角度變化時，反射光和折射光偏振的程度也有變化，當(dāng)入射角達到布儒斯特角時反射光為線偏振光。當(dāng)入射光強時拍攝表面光滑的物體，常常會出現(xiàn)耀斑或反光，攝像質(zhì)量不佳，若在拍攝時加用偏振鏡，并適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡片。根據(jù)馬呂斯定律I=I0（cosβ）^2（不考慮吸收）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影像清晰。以圖2為例，左邊不加偏振器，右側(cè)添加了一個偏振器。

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圖2 ?左邊不加偏振器，右側(cè)添加了一個偏振器

通過對比消除偏振效果不僅不感覺耀眼而且能清晰的看清觀測物體。

2.2.3 汽車油漆的顏料選擇

目前汽車油漆的選擇大多都是選擇對耐高溫、耐磨損、耐濕等方面的考慮，還沒有對采光方面考慮。對車進行油漆不僅要包括上面的特點，還有一個就是讓人覺得光亮和有新的感覺。要想有光亮的感覺，首先要刷的像平面鏡一樣減少漫反射，其次還要考慮油漆顏料的吸光性能。這里分析布儒斯吸光性能。由布儒斯定律：如圖3反射光偏振性的情況。

即當(dāng)入射角達到布儒斯特角時，反射光只有水平方向的光，其他方向都被折射到材料里面。而汽車要達到光亮的感覺就盡量不要入射光被折射而盡量多的反射出來。那怎樣選材料呢，考慮汽車的環(huán)境和人看汽車的角度。汽車周圍是空氣毋庸置疑，人看汽車的角度大致為30度到37度。由布儒斯定律tani0=n2/n1。n1=1為空氣折射率，n2為材料折射率。由于人看汽車角度大致為30到37度，所以布儒斯特角不宜選53到60度的，因為此角度的反射光為線偏振光，入射光大部分被折射，光亮度稍暗。由tan530=1.33，tan600=1.73。即油漆材料不宜選折射率為1.33到1.73的材料。如印度藍、印度黃顏料等不宜用，如其他藍、紅、白、黃等顏料會給人很鮮亮的感覺。

2.3 人眼處光偏振的應(yīng)用

2.3.1 偏振太陽鏡

一般情況下，自然光入射到兩種介質(zhì)面時，產(chǎn)生的反射光與折射光都是部分偏振光，我們的生活的影響主要體現(xiàn)在物體表面的反射光的反射，反射光的偏振方向幾乎為水平方向。如你看遠處路面或水面時，偏振太陽鏡的透振方向豎直安放，可阻擋橫著的光也就是較大部分的，而身邊的物體的漫反射光，它的偏振方向是各個方向的。所以漫反射的光損失的并不多，使人眼既看清物體又不會被水平方向的強光所照射引起耀眼的效果。起到很好的防強光的效果。如圖4為水平強光入射到偏振太陽鏡。

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圖4 ?水平強光入射到偏振太陽鏡得到削弱

檢驗偏振太陽鏡的真假就是旋轉(zhuǎn)太陽鏡會得到不同的光強度。它的特點是鏡片不需要墨黑色的。當(dāng)然我們稍加改進，如雙層薄鏡片均為偏振鏡片的話旋轉(zhuǎn)其一可控制光強度，便可直視太陽光都不覺得耀眼。

2.3.2 狙擊槍安裝偏振鏡頭

狙擊遠方目標時，又遇到強光，命中率就不高了，因為周圍強光釋放大量熱量，引起周圍目標物體振動影響射擊。若鏡頭采用偏振鏡頭，便解決了這問題。分散了強光干擾命中率提高不說，對狙擊槍手的眼睛有很大程度的保護，因為狙擊槍手一般要長時間埋伏。狙擊槍前后鏡頭分別為兩偏振片，好比中學(xué)實驗里的起偏器和檢偏器。這樣光強可以任意調(diào)節(jié)。

2.3.3 立體電影原理

立體電影的效果關(guān)鍵在于兩眼看到效果不一致。如何做到這一點呢？首先了解一下立體電影的形成過程。首先立體電影通過兩臺攝影機同時拍攝同一場面如同人的兩眼看同一物體。這里攝影機拍攝時鏡頭就應(yīng)用了偏振片，如圖5為立體電影放映時的現(xiàn)場。

拍攝時，兩個攝影機鏡頭分別為兩偏振鏡片，鏡頭1為偏振方向為豎直方向，鏡頭2為偏振方向為水平方向，同時對物體進行拍攝，就像人的兩只眼睛在看同一物體。在電影院放映時鏡頭A、B就是兩臺放映機，同時在同一屏幕進行放映。也就是說這時如果不戴3D眼鏡的話，熒幕由于兩圖合一而看不清。所以看立體電影還需戴3D眼鏡，如圖對應(yīng)的立體眼鏡鏡片A偏振方向為豎直方向，鏡片B為水平方向。這就達到了兩只眼睛看到的分別是鏡頭A、B拍攝的，就好比人兩只眼睛看物體，立體效果就出來了。

2.3.4 天文望遠鏡的應(yīng)用

天文望遠鏡是用來觀測天體的，行星和恒星都在觀測之內(nèi)。但觀測恒星是如太陽人眼不能直接觀察，只能通過拍照間接觀察。因為太陽光太強，直接觀察會灼傷眼睛的。如果在目鏡之外再加兩個偏振鏡片便解決了，一個偏振鏡片固定一個偏振鏡片可自由旋轉(zhuǎn)，兩個偏振鏡片就分別為起偏器和檢偏器。光強控制在0到I0 （指太陽表面光強度），這樣人眼可以對準鏡頭自由觀察。如圖6為望遠鏡目鏡后的兩重疊偏振片，兩偏振方向互相垂直。

首先將兩偏振鏡片的偏振方向互相垂直光強為0，觀察時精密旋轉(zhuǎn)可得到適當(dāng)光強便于觀察。

3 結(jié)束語

總之光偏振要更好，更多的應(yīng)用到生活中，就要了解人類要利用或消除光的偏振態(tài)方向，以及對光偏振態(tài)方向的篩選和控制。雖然人類已經(jīng)普遍的把光偏振應(yīng)用到生活中，除了我所舉的幾個例子外但是還有更廣闊的應(yīng)用等候我們。

參考文獻：

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注：本文獲得貴州省重點學(xué)科（NO：黔學(xué)位辦[2013]18號）支持。