偏振光简述

偏振光简述

一、引言

偏振光（polarized light），光学名词。光是一种电磁波，电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。

二、定义

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光波是电磁波，因此，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E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。具有偏振性的光则称为偏振光。

三、检测

光的偏振现象可以借助于实验装置进行检测，P1、P2是两块同样的偏振片。通过一片偏振片p1直接观察自然光（如灯光或阳光），透过偏振片的光

偏振光原理

虽然变成了偏振光，但由于人的眼睛没有辨别偏振光的能力，故无法察觉。如果我们把偏振片P1的方位固定，而把偏振片P2缓慢地

转动，就可发现透射光的强度随着P2转动而出现周期性的变化，而且每转过90°就会重复出现发光强度从最大逐渐减弱到最暗；继续转动P2则光强又从接近于零逐渐增强到最大。由此可知，通过P1的透射光与原来的入射光性质是有所不同的，这说明经P1的透射光的振动对传播方向不具有对称性。

自然光经过偏振片后，改变成为具有一定振动方向的光。这是由于偏振片中存在着某种特征性的方向，叫做偏振化方向，偏振片只允许平行于偏振化方向的振动通过，同时过滤掉垂直于该方向振动的光。通过偏振片的透射光，它的振动限制在某一振动方向上,我们把第一个偏振片P1叫做“起偏器”，它的作用是把自然光变成偏振光，但是人的眼睛不能辨别偏振光。必须依靠第二片偏振片P2去检查。旋转P2，当它的偏振化方向与偏振光的偏振面平行时，偏振光可顺利通过，这时在P2的后面有较亮的光。当P2的偏振方向与偏振光的偏振面垂直时，偏振光不能通过，在P2后面也变暗。第二个偏振片帮助我们辨别出偏振光，因此它也称为“检偏器”。

四、分类

偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规则地变化的光波。按照其性质,偏振光又可分为平面偏振光（线偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。如果光波电矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，则这种偏振光称为平面偏振光，因为振动的方向在传播过程中为一直线，故又称线偏振光。如果光波

电矢量随时间作有规则地改变，即电矢量末端轨迹在垂直于传播

方向的平面上呈圆形或椭圆形,则称为圆偏振光或椭圆偏振光。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占有相对优势，这种偏振光就称为部分偏振光。

自然光

光波是横波，即光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。通常，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，但统计平均来说，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，它们的总和与光的传播方向是对称的，即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同，这种光就称为自然光。

完全偏振光

（a）线偏振光

光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿着一个确定的方向振动，其大小随相位变化、方向不变，称为线偏振光。

（b）椭圆偏振光

光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化。

（c）圆偏振光

光矢量端点的轨迹为一圆，即光矢量不断旋转，其大小不变，但方向随时间有规律地变化。

部分偏振光

在垂直于光传播方向的平面上，含有各种振动方向的光矢量，但

分布的，是非偏振光。但是，光滑的非金属表面在一定角度下（称为布儒斯特角，与物质的折射率有关）反射形成的眩光是偏振光。偏离了这个角度，就会有部分非偏振光混杂在偏振光里。我们称这种光线为部分偏振光。部分偏振光是有程度的。偏离的角度越大，偏振光的成分越少，最终成为非偏振光。

七、应用

1、观看立体电影

上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。

2、测量相关物理量

偏振光通过一些介质后，其振动方向相对原来的振动方向会发生一定角度的旋转，旋转的这个角度叫旋光度，旋光度与介质的浓度、长度、折射率等因素有关。测量旋光度的大小，就可以知道介质相关物理量的变化。

3、天空中的偏振光

传播于地球大气层的太阳光会因为被大气分子瑞利散射而使得散射光产生偏振，从天空中的散射光可以观察到这现象。散射光在清晰的天空中会显得更明亮、更具色彩。在天空中，与太阳照射的光束呈直角方向的位置，最容易观察到这偏振现象（偏振方向与太阳光方向、直角方向相垂直）。这种具有部分偏振的散射光，假若使用起偏器，可以使得照片里的天空变得较黑，增加衬度；这样，可以改良照片的品质

出现在天空中的偏振光常被用来导航定向。从九世纪至十一世纪间，维京人时常航行于北大西洋。那时期，欧洲人尚未知道怎样使用磁罗盘，维京人主要是使用太阳与星星来导航定向，可是，在阴天，这方法无效。学者猜测他们可能知道怎样使用一种称为「太阳石」的简单仪器，但这争议性理论尚未被证实。 1950年代，运输飞机航行在地磁极附近时，由于无法使用磁罗盘，假若无法看到太阳或星星时

（例如，在阴天或黄昏），时常会使用「天空罗盘」来导航。这仪器是一种很精致的偏光仪，可以用来观测天空中的偏振光。十九世纪后期，查理斯·惠斯通发明了偏振钟。这也是一种偏光仪，可以用来计时。根据惠斯通，偏振钟比日晷的优点更多。

4、椭圆偏振测量术

椭圆偏振测量术是一种用途极广的技术，可用来测量均匀表面的光学性质；简略描述其程序，就是在均匀表面做镜面反射后，测量光波的偏振态的改变；通常这函数的参数为入射角与波长。由于椭圆偏振测量术倚赖反射机制，样品不需要具有透明性质，探测仪器也不需要从样品背部测量透射光的辐照度，这技术还可以应用于吸光度极高的物质，并且不具有破坏性，只需要很少量的样品就可以做测量。

椭圆偏振测量术也可以用来测量薄膜的复折射率与厚度。应用椭圆偏振技术，照射光束于薄膜样品，然后分析反射光的偏振改变，即可估算复数折射率或介电函数张量，以此获得基本的物理参数，这包括表面粗糙度、晶体质量、化学成分或导电性。它常被用来鉴定单层或多层堆叠的薄膜厚度，可量测厚度由数?到几微米，甚至小至一个单原子层，并且准确性极高。

八、总结

随着人们对光的偏振现象的不断加深了解，其广泛用途也不断突显，广宇偏振现象的研究越来越广泛。牛顿环的偏振态研究，单模光纤偏振态的测试，椭圆偏振技术的研究，分光偏振技术的研究等等其应用已经深入到各个领域。

当然偏振态的变化也会给我们的生活工作带来不便，例如现在正在研究的一种新型液晶退偏振器就是为了消除入射光的偏振态变化对相干系统的负面影响。它是利用液晶随着液晶分子取向的偏转，光沿z轴传播的折射率n发生变化的特性，可通过改变外加电压可以任意控制液晶各点的偏振态从而能够实现任意偏振输出。

由于偏振现象的普遍存在，各方面的研究也将不断深入，我相信偏振现象的研究将会有更辉煌的发展。