基本介紹
- 中文名：偏振光
- 外文名：polarized light
- 所屬類別：光學
- 偏振定義：振動方向對於傳播方向不對稱性
- 套用：車燈；立體電影；鏡頭等
定義,檢測,分類,產生機理,特性,化學性質,套用,人的感知,
定義
振動方向對於傳播方向的不對稱性叫做偏振，它是橫波區別於其他縱波的一個最明顯的標誌，只有橫波才有偏振現象。光波是電磁波，因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向。光波中的電振動矢量E和磁振動矢量H都與傳播速度v垂直，因此光波是橫波，它具有偏振性。具有偏振性的光則稱為偏振光。
檢測
光的偏振現象可以藉助於實驗裝置進行檢測，P1、P2是兩塊同樣的偏振片。通過一片偏振片p1直接觀察自然光（如燈光或陽光），透過偏振片的光雖然變成了偏振光，但由於人的眼睛沒有辨別偏振光的能力，故無法察覺。如果我們把偏振片P1的方位固定，而把偏振片P2緩慢地轉動，就可發現透射光的強度隨著P2轉動而出現周期性的變化，而且每轉過90°就會重複出現發光強度從最大逐漸減弱到最暗；繼續轉動P2則光強又從接近於零逐漸增強到最大。由此可知，通過P1的透射光與原來的入射光性質是有所不同的，這說明經P1的透射光的振動對傳播方向不具有對稱性。
偏振光原理
偏振光原理自然光經過偏振片後，改變成為具有一定振動方向的光。這是由於偏振片中存在著某種特徵性的方向，叫做偏振化方向，偏振片只允許平行於偏振化方向的振動通過，同時過濾掉垂直於該方向振動的光。通過偏振片的透射光，它的振動限制在某一振動方向上,我們把第一個偏振片P1叫做“起偏器”，它的作用是把自然光變成偏振光，但是人的眼睛不能辨別偏振光。必須依靠第二片偏振片P2去檢查。旋轉P2，當它的偏振化方向與偏振光的偏振面平行時，偏振光可順利通過，這時在P2的後面有較亮的光。當P2的偏振方向與偏振光的偏振面垂直時，偏振光不能通過，在P2後面也變暗。第二個偏振片幫助我們辨別出偏振光，因此它也稱為“檢偏器”。
分類
偏振光是指光矢量的振動方向不變，或具有某種規則地變化的光波。按照其性質,偏振光又可分為平面偏振光（線偏振光）、圓偏振光和橢圓偏振光、部分偏振光幾種。如果光波電矢量的振動方向只局限在一確定的平面內，則這種偏振光稱為平面偏振光，因為振動的方向在傳播過程中為一直線，故又稱線偏振光。如果光波電矢量隨時間作有規則地改變，即電矢量末端軌跡在垂直於傳播方向的平面上呈圓形或橢圓形,則稱為圓偏振光或橢圓偏振光。如果光波電矢量的振動在傳播過程中只是在某一確定的方向上占有相對優勢，這種偏振光就稱為部分偏振光。
偏振光
偏振光自然光
光波是橫波，即光波矢量的振動方向垂直於光的傳播方向。通常，光源發出的光波，其光波矢量的振動在垂直於光的傳播方向上作無規則取向，但統計平均來說，在空間所有可能的方向上，光波矢量的分布可看作是機會均等的，它們的總和與光的傳播方向是對稱的，即光矢量具有軸對稱性、均勻分布、各方向振動的振幅相同，這種光就稱為自然光。
完全偏振光
（a）線偏振光
偏振光
偏振光光矢量端點的軌跡為直線，即光矢量只沿著一個確定的方向振動，其大小隨相位變化、方向不變，稱為線偏振光。
（b）橢圓偏振光
光矢量端點的軌跡為一橢圓，即光矢量不斷旋轉，其大小、方向隨時間有規律的變化。
（c）圓偏振光
光矢量端點的軌跡為一圓，即光矢量不斷旋轉，其大小不變，但方向隨時間有規律地變化。
部分偏振光
在垂直於光傳播方向的平面上，含有各種振動方向的光矢量，但光振動在某一方向更顯著，不難看出，部分偏振光是自然光和完全偏振光的疊加。
產生機理
方法一
通過反射、多次折射、雙折射和選擇性吸收的方法可以獲得平面偏振光。可採用具有選擇吸收的偏振片產生平面偏振光。
方法二
偏振片是用人工方法製成的薄膜，是用特殊方法使選擇性吸收很強的微粒晶體在透明膠層中作有規則排列而製成的，它允許透過某一電矢量振動方向的光（此方向稱為偏振化方向），而吸收與其垂直振動的光，即具有二向色性. 因此自然光通過偏振片後，透射光基本上成為平面偏振光。由於偏振片易於製作，所以它是普遍使用的偏振器。
特性
橫波有一個特性，就是它的振動是有極性的。在與傳播方向垂直的平面上，它可以向任一方向振動。一般把光波電場振動方向作為光振動方向。如果一束光線都在同一方向上振動，就稱它們是偏振光，或嚴格一點，稱為完全偏振光。一般的自然光在各個方向振動是均勻分布的，是非偏振光。但是，光滑的非金屬表面在一定角度下（稱為布儒斯特角，與物質的折射率有關）反射形成的眩光是偏振光。偏離了這個角度，就會有部分非偏振光混雜在偏振光里。我們稱這種光線為部分偏振光。部分偏振光是有程度的。偏離的角度越大，偏振光的成分越少，最終成為非偏振光。
偏振光示意圖
偏振光示意圖化學性質
分子的手性和旋光活性
當分子中的一個碳原子與四個不同的基團連線時，這個化合物可能有兩種不同的排列方式。
如圖可知，以上兩個分子在空間不能重疊，它們並不是同一種化合物，
這兩個構型化合物的不同表現在對平面偏振光的不同影響。手性實際上是指兩個化合物互為實物與鏡像關係，不能重合的性質。
旋光活性：使偏振光的振動面發生旋轉的性質。具有手性的分子具有旋光活性。見圖。
同分異構現象的分類
分子的同分異構現象可以分為兩類：構造異構和立體異構。構造異構又可以分為碳鏈異構，位置異構和官能團異構；立體異構可以分為構型異構和構象異構；其中，構型異構又可以分為順反異構（幾何異構）和對映異構（旋光異構）。
旋光度和比旋光度
由物質的旋光性可以將物質分為兩類：一類是可以使平面偏振光振動面發生旋轉的物質，叫做旋光性物質；另一類是是不能使平面偏振光振動面發生旋轉的物質，是非旋光性物質。
旋光物質使偏振光旋轉的角度叫做旋光度，以“α”表示。順時針，表示右旋，用+表示；逆時針，表示左旋，用-表示。但旋光度α受到溫度，光源，濃度等的影響，因此，用另一個量來描述物質的旋光性，即比旋光度。比旋光度一般用[a]表示，即單位濃度和單位長度下的旋光度，是旋光物質的特徵物理常數。在實際工作中，常常可以用不同長度的旋光管和不同的樣品濃度測定某物質溶液的旋光度α，並按下式進行換算得出該物質的比旋光度[α]。
[α] = 100α/ l* C
若被測物質是純液體，則按下式進行換算。
[α] = α/ l* ρ
式中：ρ--液體的密度。
除此之外，有的文獻採用分子比旋光度m來表示物質的旋光性質。分子比旋光度與比旋光度的換算公式如下：
[m]=（[α]*相對分子質量）\100
旋光性物質的旋光度和旋光方向可用旋光儀進行測定。因偏振光的波長和測定時的溫度對比旋光度也有影響，故表示比旋光度時，還要把溫度及光源的波長標出，將溫度寫在[α]的右上角，波長寫在右下角。溶劑對比旋光度也有影響，故也要註明所用溶劑。例如某物質的比旋光度為：[α]20D = 98.3（C=1,CH3OH），這說明該物質的比旋光度為右旋98.3，測定時的溫度為20℃，使用D鈉光，溶劑為甲醇，溶液濃度為1%。
套用
汽車車燈
汽車夜間在公路上行駛與對面的車輛相遇時，為了避免雙方車燈的眩目，司機都關閉大燈，只開小燈，放慢車速，以免發生車禍。如駕駛室的前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片，而且規定它們的偏振化方向都沿同一方向並與水平面成45度角，那么，司機從前窗只能看到自已的車燈發出的光，而看不到對面車燈的光，這樣，汽車在夜間行駛時，既不要熄燈，也不要減速，可以保證安全行車。
汽車車燈
汽車車燈另外，在陽光充足的白天駕駛汽車，從路面或周圍建築物的玻璃上反射過來的耀眼的陽光，常會使眼睛睜不開。由於光是橫波，所以這些強烈的來自上空的散射光基本上是水平方向振動的。因此，只需帶一副只能透射豎直方向偏振光的偏振太陽鏡便可擋住部分的散射光。
觀看立體電影
在拍攝立體電影時，用兩個攝影機，兩個攝影機的鏡頭相當於人的兩隻眼睛，它們同時分別拍下同一物體的兩個畫像，放映時把兩個畫像同時映在銀幕上。如果設法使觀眾的一隻眼睛只能看到其中一個畫面，就可以使觀眾得到立體感。為此，在放映時，兩個放像機每個放像機鏡頭上放一個偏振片，兩個偏振片的偏振化方向相互垂直，觀眾戴上用偏振片做成的眼鏡，左眼偏振片的偏振化方向與左面放像機上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向與右面放像機上的偏振化方向相同，這樣，銀幕上的兩個畫面分別通過兩隻眼睛觀察，在人的腦海中就形成立體化的影像了。
立體電影
立體電影攝像機鏡頭
自然光在玻璃、水面、木質桌面等表面反射時，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角變化時，偏振的程度也有變化。在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥櫃、油漆表面、塑膠表面等，常常會出現耀斑或反光，這是由於反射光波的干擾而引起的。如果在拍攝時加用偏振鏡，並適當地旋轉偏振鏡片，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水下或玻璃後的影像清晰。
測量相關物理量
偏振光通過一些介質後，其振動方向相對原來的振動方向會發生一定角度的旋轉，旋轉的這個角度叫旋光度，旋光度與介質的濃度、長度、折射率等因素有關。測量旋光度的大小，就可以知道介質相關物理量的變化。
生物生理機能
人的眼睛對光的偏振狀態是不能分辨的，但某些昆蟲的眼睛對偏振卻很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支單眼、兩支複眼，每個複眼包含有6300個小眼，這些小眼能根據太陽的偏光確定太陽的方位，然後以太陽為定向標來判斷方向，所以蜜蜂可以準確無誤地把它的同類引到它所找到的花叢。
昆蟲複眼
昆蟲複眼再如在沙漠中，如果不帶羅盤，人是會迷路的，但是沙漠中有一種螞蟻，它能利用天空中的紫外偏光導航，因而不會迷路。
LCD液晶屏
LCD技術是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直（相交成90度）。也就是說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子東西向排列，而位於兩個平面之間的分子被強迫進入一種90度扭轉的狀態。由於光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經過液晶時也被扭轉90度。但當液晶上加一個電壓時，分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發生任何扭轉。
LCD液晶屏
LCD液晶屏LCD是依賴極化濾光器（片）和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機發散的。極化濾光器實際是一系列越來越細的平行線。這些線形成一張網，阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個垂直，所以能完全阻斷那些已經極化的光線。只有兩個濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉到與第二個極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。
LCD正是由這樣兩個相互垂直的極化濾光器構成，所以在正常情況下應該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由於兩個濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個濾光器後，會被液晶分子扭轉90度，最後從第二個濾光器中穿出。另一方面，若為液晶加一個電壓，分子又會重新排列並完全平行，使光線不再扭轉，所以正好被第二個濾光器擋住。總之，不加電將光線射出，加電則使光線阻斷。
醫療
紅外偏振光治療的特點：
①無損傷，②無痛苦，③無感染危險，④治療時間短，⑤無副作用及併發症，⑥適應範圍廣，⑦作為神經阻滯的輔助療法或替代療法。
偏振光可用於對藥物有變態反應的高齡、出血性疾病等不宜神經阻滯的患者。可與各種藥物療法並用。操作者無須較高的醫療技術，在醫師指導下護士即可完成局部普通照射操作。
雷射是單色線性偏振光，紅外偏振光是寬譜橢圓偏振光，類似於不同波段低功率雷射的複合套用。試驗證明，不同波段雷射複合套用的療效多優於單一雷射。
人的感知
人類對偏振光的感知能力，是因為有一種叫做葉黃素的化學物質，在視網膜上一個叫做黃斑的區域，呈同心圓樣排列著。葉黃素在自然界中廣泛存在，分子結構纖細苗條。這種貌似普通的化學物質，有著一種特殊的光學性質：當它的長軸和偏振光振動方向平行，葉黃素將會吸收射入光線中的藍光。
葉黃素在黃斑的分布
葉黃素在黃斑的分布這樣，經過B區域的葉黃素的過濾，顯示器散發的垂直白色偏振光，將以黃色——藍色的互補色——投射在視網膜感光細胞上。因此看到兩把水平黃刷子。而垂直部分（A區域），一切照常，但是由於心理性成像（psychological vision），這部分將形成更是微弱難辨的藍色刷子。大部分人經過“看刷子訓練”，都可以看到這個微弱的影像。
