許寧

摘要：光波是橫波，具有偏振性。我們對(duì)光源、光的傳播過程以及人眼對(duì)光的偏振進(jìn)行了分析，同時(shí)也對(duì)偏振光與消除偏振光進(jìn)行了分析，綜述了光偏振在現(xiàn)實(shí)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(duì)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(dòng)光學(xué)中一種重要現(xiàn)象，對(duì)于光的偏振現(xiàn)象的研究，使人們對(duì)光的傳播（反射、折射、吸收和散射等）的規(guī)律有了新的認(rèn)識(shí)。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(jì)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(duì)光偏振的應(yīng)用進(jìn)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(tái)燈安裝偏振片

臺(tái)燈一靠近人體，它對(duì)人眼的影響很大，人在看書時(shí)往往會(huì)有耀眼的光干擾，尤其對(duì)于紙質(zhì)非常光滑的書，人的眼睛如果長久在這樣的臺(tái)燈前看書就會(huì)受不了。其次，如果看書的人有時(shí)不小心看了臺(tái)燈一眼，眼睛因此會(huì)眼花而煩惱，這樣就會(huì)影響看書人的心情?，F(xiàn)在在臺(tái)燈燈罩上安裝一偏振片，就解決臺(tái)燈的這一缺點(diǎn)。偏振片的起偏方向?yàn)樨Q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(qiáng)光的耀眼效果，即使人體直視臺(tái)燈也不會(huì)眼花。

2.1.2 手機(jī)屏幕添加偏振片

現(xiàn)在手機(jī)功能太多，人類似乎離不開手機(jī)了，人們通常一天花很長時(shí)間在玩手機(jī)，這對(duì)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(jī)都貼一層保護(hù)膜。如果把偏振片添加到手機(jī)屏幕中，就可以消除游戲強(qiáng)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?yàn)槠穹较蛴薪徊娴脑捁饩€太弱而不能看清手機(jī)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(shí)，開遠(yuǎn)光燈的話，容易照射對(duì)方司機(jī)的眼睛而影響駕駛，戴一般的墨鏡也不能解決問題，因?yàn)閷?duì)于近視眼司機(jī)就無法再佩戴墨鏡，同時(shí)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(gè)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(jì)司機(jī)就不用戴墨鏡開遠(yuǎn)光燈也互不干擾。因此司機(jī)即使在白天，遇到路面強(qiáng)光時(shí)，裝上偏振片那就可以削弱一定的強(qiáng)光刺激了。因?yàn)槁访娣瓷涔獾钠穹较蚴撬降模鶕?jù)馬呂斯定律I=I0（cosβ）^2，只針對(duì)偏振水平方向的光，則β為π/4，即水平方向的強(qiáng)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(jìn)車燈與車擋風(fēng)玻璃的偏振方向，就可直接削弱水平強(qiáng)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(jī)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(shí)，反射光和折射光都是偏振光，當(dāng)入射光角度變化時(shí)，反射光和折射光偏振的程度也有變化，當(dāng)入射角達(dá)到布儒斯特角時(shí)反射光為線偏振光。當(dāng)入射光強(qiáng)時(shí)拍攝表面光滑的物體，常常會(huì)出現(xiàn)耀斑或反光，攝像質(zhì)量不佳，若在拍攝時(shí)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(gè)偏振器。

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圖2 ?左邊不加偏振器，右側(cè)添加了一個(gè)偏振器

通過對(duì)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(duì)耐高溫、耐磨損、耐濕等方面的考慮，還沒有對(duì)采光方面考慮。對(duì)車進(jìn)行油漆不僅要包括上面的特點(diǎn)，還有一個(gè)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(dá)到布儒斯特角時(shí)，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(dá)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?yàn)榇私嵌鹊姆瓷涔鉃榫€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(lán)、印度黃顏料等不宜用，如其他藍(lán)、紅、白、黃等顏料會(huì)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(shí)，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(yuǎn)處路面或水面時(shí)，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(gè)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(huì)被水平方向的強(qiáng)光所照射引起耀眼的效果。起到很好的防強(qiáng)光的效果。如圖4為水平強(qiáng)光入射到偏振太陽鏡。

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圖4 ?水平強(qiáng)光入射到偏振太陽鏡得到削弱

檢驗(yàn)偏振太陽鏡的真假就是旋轉(zhuǎn)太陽鏡會(huì)得到不同的光強(qiáng)度。它的特點(diǎn)是鏡片不需要墨黑色的。當(dāng)然我們稍加改進(jìn)，如雙層薄鏡片均為偏振鏡片的話旋轉(zhuǎn)其一可控制光強(qiáng)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(yuǎn)方目標(biāo)時(shí)，又遇到強(qiáng)光，命中率就不高了，因?yàn)橹車鷱?qiáng)光釋放大量熱量，引起周圍目標(biāo)物體振動(dòng)影響射擊。若鏡頭采用偏振鏡頭，便解決了這問題。分散了強(qiáng)光干擾命中率提高不說，對(duì)狙擊槍手的眼睛有很大程度的保護(hù)，因?yàn)榫褤魳屖忠话阋L時(shí)間埋伏。狙擊槍前后鏡頭分別為兩偏振片，好比中學(xué)實(shí)驗(yàn)里的起偏器和檢偏器。這樣光強(qiáng)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(diǎn)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(tái)攝影機(jī)同時(shí)拍攝同一場面如同人的兩眼看同一物體。這里攝影機(jī)拍攝時(shí)鏡頭就應(yīng)用了偏振片，如圖5為立體電影放映時(shí)的現(xiàn)場。

拍攝時(shí)，兩個(gè)攝影機(jī)鏡頭分別為兩偏振鏡片，鏡頭1為偏振方向?yàn)樨Q直方向，鏡頭2為偏振方向?yàn)樗椒较?，同時(shí)對(duì)物體進(jìn)行拍攝，就像人的兩只眼睛在看同一物體。在電影院放映時(shí)鏡頭A、B就是兩臺(tái)放映機(jī)，同時(shí)在同一屏幕進(jìn)行放映。也就是說這時(shí)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(duì)應(yīng)的立體眼鏡鏡片A偏振方向?yàn)樨Q直方向，鏡片B為水平方向。這就達(dá)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(yuǎn)鏡的應(yīng)用

天文望遠(yuǎn)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?yàn)樘柟馓珡?qiáng)，直接觀察會(huì)灼傷眼睛的。如果在目鏡之外再加兩個(gè)偏振鏡片便解決了，一個(gè)偏振鏡片固定一個(gè)偏振鏡片可自由旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)偏振鏡片就分別為起偏器和檢偏器。光強(qiáng)控制在0到I0 （指太陽表面光強(qiáng)度），這樣人眼可以對(duì)準(zhǔn)鏡頭自由觀察。如圖6為望遠(yuǎn)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(qiáng)為0，觀察時(shí)精密旋轉(zhuǎn)可得到適當(dāng)光強(qiáng)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(duì)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(gè)例子外但是還有更廣闊的應(yīng)用等候我們。

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