光偏振现象的应用综述
作者 : 未知

  摘要:光波是横波,具有偏振性。我们对光源、光的传播过程以及人眼对光的偏振进行了分析,同时也对偏振光与消除偏振光进行了分析,综述了光偏振在现实生活中的应用以及它的潜在应用。
  关键词:光的偏振  偏振光  光偏振应用
  1 概述
  对于我们身边的光来说大部分是偏振光,只有少数如太阳光,宏观上没有偏振效果,所以我们称为自然光。而光偏振现象是波动光学中一种重要现象,对于光的偏振现象的研究,使人们对光的传播(反射、折射、吸收和散射等)的规律有了新的认识。特别是近年来利用光的偏振性所开发出来的各种偏振光元件、偏振光仪器和偏振光技术在现代科学技术中发挥了极其重要的作用,在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件等方面都有着广泛的应用[1-3]。因此,光偏振现象的发现以及应用给人类生活带来了很多方便。下面对光偏振的应用进行分类综述。
  2 光偏振的应用[4-6]
  2.1 光偏振在光源处的应用
  2.1.1 台灯安装偏振片
  台灯一靠近人体,它对人眼的影响很大,人在看书时往往会有耀眼的光干扰,尤其对于纸质非常光滑的书,人的眼睛如果长久在这样的台灯前看书就会受不了。其次,如果看书的人有时不小心看了台灯一眼,眼睛因此会眼花而烦恼,这样就会影响看书人的心情。现在在台灯灯罩上安装一偏振片,就解决台灯的这一缺点。偏振片的起偏方向为竖直方向,即灯光出来效果为竖直方向的偏振光,在水平方向很弱,这样既没有强光的耀眼效果,即使人体直视台灯也不会眼花。
  2.1.2 手机屏幕添加偏振片
  现在手机功能太多,人类似乎离不开手机了,人们通常一天花很长时间在玩手机,这对眼睛伤害很大,尤其现在的酷炫游戏对眼睛刺激太大。现在宽屏手机都贴一层保护膜。如果把偏振片添加到手机屏幕中,就可以消除游戏强光的影响,偏振片的安装方向即偏振片的起偏方向可任意但一定要一致。因为偏振方向有交叉的话光线太弱而不能看清手机界面。
  2.2 光偏振在光传播过程的应用
  2.2.1 车灯和挡风玻璃的应用
  汽车夜晚行驶时,开远光灯的话,容易照射对方司机的眼睛而影响驾驶,戴一般的墨镜也不能解决问题,因为对于近视眼司机就无法再佩戴墨镜,同时开近光灯的话,又不能高速行驶。因此,应用光的偏振现象就可以解决这个难题。
  目前,很多汽车上的车灯与挡风玻璃均安装有偏振片,这样设计司机就不用戴墨镜开远光灯也互不干扰。因此司机即使在白天,遇到路面强光时,装上偏振片那就可以削弱一定的强光刺激了。因为路面反射光的偏振方向是水平的,根据马吕斯定律I=I0(cosβ)^2,只针对偏振水平方向的光,则β为π/4,即水平方向的强光I=1/2I0削弱了一半。当然把这原理应用到车灯和挡风玻璃,如图1所示,改进车灯与车挡风玻璃的偏振方向,就可直接削弱水平强光。
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  图1  汽车车灯与挡风玻璃的偏振方向
  2.2.2 在摄影机镜头上的应用
  根据布儒斯特定律,自然光在物体发生反射和折射时,反射光和折射光都是偏振光,当入射光角度变化时,反射光和折射光偏振的程度也有变化,当入射角达到布儒斯特角时反射光为线偏振光。当入射光强时拍摄表面光滑的物体,常常会出现耀斑或反光,摄像质量不佳,若在拍摄时加用偏振镜,并适当地旋转偏振镜片。根据马吕斯定律I=I0(cosβ)^2(不考虑吸收)让它的透振方向与反射光的透振方向垂直,就可以减弱反射光而使影像清晰。以图2为例,左边不加偏振器,右侧添加了一个偏振器。
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  图2  左边不加偏振器,右侧添加了一个偏振器
  通过对比消除偏振效果不仅不感觉耀眼而且能清晰的看清观测物体。
  2.2.3 汽车油漆的颜料选择
  目前汽车油漆的选择大多都是选择对耐高温、耐磨损、耐湿等方面的考虑,还没有对采光方面考虑。对车进行油漆不仅要包括上面的特点,还有一个就是让人觉得光亮和有新的感觉。要想有光亮的感觉,首先要刷的像平面镜一样减少漫反射,其次还要考虑油漆颜料的吸光性能。这里分析布儒斯吸光性能。由布儒斯定律:如图3反射光偏振性的情况。
  即当入射角达到布儒斯特角时,反射光只有水平方向的光,其他方向都被折射到材料里面。而汽车要达到光亮的感觉就尽量不要入射光被折射而尽量多的反射出来。那怎样选材料呢,考虑汽车的环境和人看汽车的角度。汽车周围是空气毋庸置疑,人看汽车的角度大致为30度到37度。由布儒斯定律tani0=n2/n1。n1=1为空气折射率,n2为材料折射率。由于人看汽车角度大致为30到37度,所以布儒斯特角不宜选53到60度的,因为此角度的反射光为线偏振光,入射光大部分被折射,光亮度稍暗。由tan530=1.33,tan600=1.73。即油漆材料不宜选折射率为1.33到1.73的材料。如印度蓝、印度黄颜料等不宜用,如其他蓝、红、白、黄等颜料会给人很鲜亮的感觉。
  2.3 人眼处光偏振的应用
  2.3.1 偏振太阳镜
  一般情况下,自然光入射到两种介质面时,产生的反射光与折射光都是部分偏振光,我们的生活的影响主要体现在物体表面的反射光的反射,反射光的偏振方向几乎为水平方向。如你看远处路面或水面时,偏振太阳镜的透振方向竖直安放,可阻挡横着的光也就是较大部分的,而身边的物体的漫反射光,它的偏振方向是各个方向的。所以漫反射的光损失的并不多,使人眼既看清物体又不会被水平方向的强光所照射引起耀眼的效果。起到很好的防强光的效果。如图4为水平强光入射到偏振太阳镜。
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  图4  水平强光入射到偏振太阳镜得到削弱
  检验偏振太阳镜的真假就是旋转太阳镜会得到不同的光强度。它的特点是镜片不需要墨黑色的。当然我们稍加改进,如双层薄镜片均为偏振镜片的话旋转其一可控制光强度,便可直视太阳光都不觉得耀眼。   2.3.2 狙击枪安装偏振镜头
  狙击远方目标时,又遇到强光,命中率就不高了,因为周围强光释放大量热量,引起周围目标物体振动影响射击。若镜头采用偏振镜头,便解决了这问题。分散了强光干扰命中率提高不说,对狙击枪手的眼睛有很大程度的保护,因为狙击枪手一般要长时间埋伏。狙击枪前后镜头分别为两偏振片,好比中学实验里的起偏器和检偏器。这样光强可以任意调节。
  2.3.3 立体电影原理
  立体电影的效果关键在于两眼看到效果不一致。如何做到这一点呢?首先了解一下立体电影的形成过程。首先立体电影通过两台摄影机同时拍摄同一场面如同人的两眼看同一物体。这里摄影机拍摄时镜头就应用了偏振片,如图5为立体电影放映时的现场。
  拍摄时,两个摄影机镜头分别为两偏振镜片,镜头1为偏振方向为竖直方向,镜头2为偏振方向为水平方向,同时对物体进行拍摄,就像人的两只眼睛在看同一物体。在电影院放映时镜头A、B就是两台放映机,同时在同一屏幕进行放映。也就是说这时如果不戴3D眼镜的话,荧幕由于两图合一而看不清。所以看立体电影还需戴3D眼镜,如图对应的立体眼镜镜片A偏振方向为竖直方向,镜片B为水平方向。这就达到了两只眼睛看到的分别是镜头A、B拍摄的,就好比人两只眼睛看物体,立体效果就出来了。
  2.3.4 天文望远镜的应用
  天文望远镜是用来观测天体的,行星和恒星都在观测之内。但观测恒星是如太阳人眼不能直接观察,只能通过拍照间接观察。因为太阳光太强,直接观察会灼伤眼睛的。如果在目镜之外再加两个偏振镜片便解决了,一个偏振镜片固定一个偏振镜片可自由旋转,两个偏振镜片就分别为起偏器和检偏器。光强控制在0到I0 (指太阳表面光强度),这样人眼可以对准镜头自由观察。如图6为望远镜目镜后的两重叠偏振片,两偏振方向互相垂直。
  首先将两偏振镜片的偏振方向互相垂直光强为0,观察时精密旋转可得到适当光强便于观察。
  3 结束语
  总之光偏振要更好,更多的应用到生活中,就要了解人类要利用或消除光的偏振态方向,以及对光偏振态方向的筛选和控制。虽然人类已经普遍的把光偏振应用到生活中,除了我所举的几个例子外但是还有更广阔的应用等候我们。
  参考文献:
  [1]叶思泓.浅谈偏振光产生及其现代科技中的应用[J].东方企业文化,2013.
  [2]吕宪魁,刘艳,王炳灿,尚鹤岭.用示波器研究光的偏振现象[J].云南师范大学学报,2010.
  [3]徐清洪.用3D眼镜片(偏振片)演示光的偏振[J].物理通报,2012.
  [4]刘小平,李栋宇,张志友,张正贺,邓焕林.物光的偏振性对全信息记录质量的影响[J].湛江师范学院,2005.
  [5]丛薇,隋清江.光的偏振态描述及转换计算[J].哈尔滨师范大学自然科学学报,2007.
  [6]郭中华,李勇英.设计实验――偏振现象的观察及其应用[J].甘肃高师学报,2011.
  注:本文获得贵州省重点学科(NO:黔学位办[2013]18号)支持。