光的偏振

干涉和衍射是各種波動都具有的現象，無論是縱波還是橫波，都會產生干涉和衍射。因此，我們常常根據干涉或衍射是否能發生來鑒別某種物質或某種運動形式是否具有波動性質。但是，由衍射和干涉的現象無法鑒別某種波動是縱波還是橫波。縱波和橫波的區別表現在另一類現象上，即偏振現象。

將一根長繩子的一端固定，另一端用手拉緊水平的繩子上下振動，產生橫波。波的振動方向和波的傳播方向垂直，並且振動方向始終保持在一個平面內。假如我們讓繩子穿過一個柵欄，波的傳播就會受到柵欄的限制。如果柵欄縫隙的方向與振動方向一致，波能順利通過柵欄。如果縫隙方向與振動方向垂直，波就被阻擋而不能繼續向前傳播。

縱波與此不同。縱波的振動沿著波的傳播方向，柵欄或類似的障礙無論在哪一個方向，都不會阻止波的傳播。

就這方面的性質來看，縱波的振動對於波的傳播方向是軸對稱的，橫波的振動對於波的傳播方向不是軸對稱的。橫波的上述特點就是它的偏振性。

光波是電磁波。光波中含有電振動矢量E和磁振動矢量H，E和H都與傳播速度u垂直，因此光波是橫波。

實驗表明，產生感光作用和生理作用的是光波中的電矢量E，所以討論光的作用時，只需考慮電矢量E的振動。E叫做光矢量，E的振動叫做光振動。

按照偏振特徵，光波可分為自然光、部分偏振光、線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光5種。

此現象可證明光為橫波

1、線偏振光

在光的傳播過程中，只包含一種振動，其振動方向始終保持在 同一平面內，這種光稱為線偏振光（或平面偏振光)。你可以通過一個實驗想象這是一種什麼景象：你把一根繩子的一頭拴在鄰居院子里的樹上，另一頭拿在你手裡。再假定繩子是從籬笆的兩根竹子的正當中穿過去的。如果你現在拿繩子上下振動，繩子產生的波就會從兩根竹子之間通過，並從你的手傳到那棵樹上。這時，那座籬笆對你的波來說是"透明的"。但是，要是你讓繩子左右波動，繩子就會撞在兩根竹子上，波就不會通過籬笆了，這時這座籬笆就相當於一個起偏振器件。

2、部分偏振光

光波包含一切可能方向的橫振動，但不同方向上的振幅不等，在兩個互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，這種光稱為部分偏振光。自然光和部分偏振光實際上是由許多振動方向不同的線偏振光組成。

當光線從空氣（嚴格地說應該是真空）射入介質時，布儒斯特角的正切值等於介質的折射率n。由於介質的折射率是與光波長有關的，對同樣的介質，布儒斯特角的大小也是與光波長有關的。以光學玻璃折射率1.4-1.9計算，布儒斯特角大約為54-62度左右。當入射角偏離布儒斯特角時，反射光將是部分偏振光。

3、橢圓偏振光

在光的傳播過程中，空間每個點的電矢量均以光線為軸作旋轉運動，且電矢量端點描出一個橢圓軌跡，這種光稱為橢圓偏振光。迎著光線方向看，凡電矢量順時針旋轉的稱右旋橢圓偏振光，凡逆時針旋轉的稱左旋橢圓偏振光。橢圓偏振光中的旋轉電矢量是由兩個頻率相同、振動方向互相垂直、有固定相位差的電矢量振動合成的結果(見波片)。

4、圓偏振光

旋轉電矢量端點描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光的特殊情形。在我們的觀察時間段中平均后，圓偏振光看上去是與自然光一樣的。但是圓偏振光的偏振方向是按一定規律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機的，沒有規律的。

1808年，馬呂斯在試驗中發現了光的偏振現象。在進一步研究光的簡單折射中的偏振時，他發現光在折射時是部分偏振的。因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發生這樣的偏振，這一發現成為了反對波動說的有利證據。

參見馬呂斯定律

1811年，布呂斯特在研究光的偏振現象時發現了光的偏振現象的經驗定律。

部分偏振光的強度與整個光的強度之比叫做偏振度。

特徵：偏振度的數值大於等於0，小於等於1；當偏振度的值愈接近1，表示光線的偏振化程度就愈純粹，即完全偏振。

從自然光獲得線偏振光的方法有以下四種：

1、利用反射和折射。

2、利用二向色性。

3、利用晶體的雙折射。

4、利用散射。

另外，線偏振光可以經過波晶片產生圓偏振光和橢圓偏振光。

1. 電子錶的液晶顯示用到了偏振光。

兩塊透振方向相互垂直的偏振片當中插進一個液晶盒，盒內液晶層的上下是透明的電極板，它們刻成了數字筆畫的形狀。外界的自然光通過第一塊偏振片后，成了偏振光。這束光在通過液晶時，如果上下兩極板間沒有電壓，光的偏振方向會被液晶旋轉90度（這種性質叫做液晶的旋光性），於是它能通過第二塊偏振片。第二塊偏振片的下面是反射鏡，光線被反射回來，這時液晶盒看起來是透明的。但在上下兩個電極間有一定大小的電壓時，液晶的性質改變了，旋光性消失，於是光線通不過第二塊偏振片，這個電極下的區域變暗，如果電極刻成了數字的筆畫的形狀，用這種方法就可以顯示數字。

2. 在攝影鏡頭前加上偏振鏡消除反光。

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、塑料表面等，常常會出現耀斑或反光，這是由於光線的偏振而引起的。在拍攝時加用偏振鏡，並適當地旋轉偏振鏡面，能夠阻擋這些偏振光，藉以消除或減弱這些光滑物體表面的反光或亮斑。要通過取景器一邊觀察一邊轉動鏡面，以便觀察消除偏振光的效果。當觀察到被攝物體的反光消失時，既可以停止轉動鏡面。

3. 攝影時控制天空亮度，使藍天變暗。

由於藍天中存在大量的偏振光，所以用偏振鏡能夠調節天空的亮度，加用偏振鏡以後，藍天變的很暗，突出了藍天中的白雲。偏振鏡是灰色的，所以在黑白和彩色攝影中均可以使用。

4. 使用偏振鏡看立體電影

在觀看立體電影時，觀眾要戴上一副特製的眼鏡，這副眼鏡就是一對透振方向互相垂直的偏振片。立體電影是用兩個鏡頭如人眼那樣從兩個不同方向同時拍攝下景物的像，製成電影膠片。在放映時，通過兩個放映機，把用兩個攝影機拍下的兩組膠片同步放映，使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上。這時如果用眼睛直接觀看，看到的畫面是模糊不清的，要看到立體電影，就要在每架電影機前裝一塊偏振片，它的作用相當於起偏器。從兩架放映機射出的光，通過偏振片后，就成了偏振光。左右兩架放映機前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而產生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直。這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振光方向不改變。觀眾用上述的偏振眼鏡觀看，每隻眼睛只看到相應的偏振光圖象，即左眼只能看到左機映出的畫面，右眼只能看到右機映出的畫面，這樣就會像直接觀看那樣產生立體感覺。這就是立體電影的原理。

當然，實際放映立體電影是用一個鏡頭，兩套圖象交替地印在同一電影膠片上，還需要一套複雜的裝置。光在晶體中的傳播與偏振現象密切相關，利用偏振現象可了解晶體的光學特性，製造用於測量的光學器件，以及提供諸如岩礦鑒定、光測彈性及激光調製等技術手段。

5、生物的生理機能與偏振光

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。

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。

6、汽車使用偏振片防止夜晚對面車燈晃眼

遠光燈是非常討厭的，但是利用光的偏振可以解決這個問題。我們可以將汽車燈罩設計成斜方向45°的偏振鏡片，這樣射出去的光都是有規律的斜向光。汽車駕駛員戴一副夜間眼鏡，偏振方向與燈罩偏振方向相同。如此一來，駕駛員只能看到自己汽車射出去的光，而對面汽車射來光的震動方向，正好是與本方向汽車成90°角，那樣對面的車燈光線就不會再晃到駕駛員的眼睛。

當然這個設想要實現還是需要很漫長的道路的，首先世界必須制定一個統一的標準，來規定燈罩與眼鏡的偏振方向；其次偏振眼鏡必然會損失一部分光線，那麼駕駛員的視野會受到影響；而且汽車大燈的功率都很大，其一半的能量都被偏振鏡片吸收，一定會產生大量的熱，對於汽車燈罩的做工，也是一個非常大的考驗。