光的偏振及应用

光的偏振

偏振是横波区别于其他纵波的标志。那么什么是偏振呢？偏振是振动方向对于传播方向的不对称性，具有偏振性的光则称为偏振光。光波是电磁波，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量和磁振动矢量都与传播速度垂直，因此，光波是横波。

按照偏振特征，光波可分为自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光，椭圆偏振光。光源发出的光波，其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向，统计平均来说，在空间所有可能的方向上，光波矢量的分布可看作是机会均等的，他们的总和与光的传播方向是对称的，即光矢量具有轴对称、均匀分布、各方向振动的振幅相同，这种光称为自然光。

01偏振光

偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规则变化的光波。如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上有相对优势，这种偏振光为部分偏振光；如果光波电矢量的振动方向只局限在一个特定的平面内，称为线偏振光，两分量相位差为kπ（其中k为整数）；如果光矢量随时间作有规则地改变，电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形（相位差为kπ/2，k为奇数）或椭圆形（相位差不为kπ/2，k为整数），则称为圆偏振光或椭圆偏振光。

各种偏振光的矢量分布

偏振度可以描述偏振性的强弱，设其优势振动方向的光强为：

处于最劣势的振动方向光强为：

偏振度：

（1）对于自然光，P=0;

（2）对于线、圆和椭圆偏振光，P=1;

（3）对于部分偏振光，0＜P＜1。

02偏振应用

1. 液晶显示器

液晶显示器（LCD）是一种电子显示器，采用液晶材料来控制光的偏振方向，从而实现图像显示。液晶材料在不同的电压下，液晶分子的曲向会发生变化，进而改变光的偏振态，采用上偏振片、液晶材料、下偏振片的结构，实现像素点的亮度调节，最终呈现出图像。

液晶显示结构

2. 偏振镜

偏振镜是一种能够选择性地通过或者阻挡光线的光学元件，它把与偏振镜透光轴方向垂直部分的电磁场分量滤掉，保留与偏振镜透光轴方向相同的电磁场分量。偏振镜被广泛应用于光路选择、滤波、干涉等方面。在日常生活中，偏振镜也被应用于3D眼镜、太阳镜、相机镜头等。

3. 偏振相机

由于人眼的生理结构限制，在不借助于光学器件的条件下，裸眼无法感知光的偏振特性。人们为了像复眼昆虫一样也能够看到偏振光，便研发了专门用于偏振成像的设备，我们称之为偏振相机。对于军用无人机等低、慢、小目标，早期发现至关重要，然而这些军事目标的涂装往往是低对比度的浅灰色，容易和天空背景混为一体，用传统相机难以发现。

使用偏振相机的优势巨大：由于目标的表面材质与背景差异巨大，因此在偏振图像中不会受到背景的复杂纹理影响，可轻易从中提取有用的目标信息。

（a）强度信息

（b）成像场景的偏振度

（c）线偏振角度

光的偏振不仅在光学仪器中扮演着重要的角色，也在日常生活和现代科技中得到了广泛的应用。随着科技的不断发展，相信光的偏振在更多领域中将会得到更加广泛的应用。