1.2 極化的歷史

自然界中的一些昆蟲、魚類和哺乳動物等生物能夠輕易地分辨極化光和未極化光，并利用光的極化特性來確定航向、控制運動路線等。與之相比，人類幾乎是“極化盲”，使用肉眼很難分辨光的極化，通常需要借助極化濾波器等工具來進行辨別。人類歷史上對極化的利用最早可以追溯到公元8世紀，維京人（Vikings）利用陽光照射到堇青石上所產生的極化光來判斷太陽的位置，即使是在陰天、濃霧天等無法看見太陽的天氣中，也能夠在波羅的海導航[4]。

對于極化的最早科學研究記載由丹麥科學家Erasmus Bartolinus于1669年提出[5]，他利用方解石晶體將一束入射光分解產生了“普通光”和“異常光”兩束不同的折射光線。然而由于當時人們對光的物理特性的理解有限，Bartolinus將這種雙折射現象誤解為是由于方解石晶體內存在兩個“孔道”而引起的。1690年，荷蘭科學家Christian Huygens繼Bartolinus之后研究發現[6]，方解石的兩束折射光線的本質差別在于具有不同的極化，但仍然無法解釋雙折射現象的產生原因。

伴隨著光學理論的不斷發展，人們對極化的理解和研究也在逐漸深入。直到1808年，法國科學家Etienne Louis Malus證實了極化是光的本質屬性而非由晶體所產生[7]。他將方解石晶體看作濾光器來研究光的極化，發現當極化光照射到方解石合適的位置時就會產生雙折射現象，并給出了入射光為線極化光時方解石位置與折射光量之間的關系式。David Brewster拓展了Malus的工作，在1812年得到了當反射光為完全線極化光時入射角與折射率之間應滿足的條件（這一發現被稱為Brewster定律），并在1816年進一步得到了極化角和介電材料相對折射功率之間的關系[8]。同年，法國物理學家Augustin-Jean Fresnel從理論上解釋了極化的存在。1852年，George Gabriel Stokes引入了4個參量來表征極化、未極化和部分極化光，即著名的“Stokes參數”，奠定了極化表征的數學理論基礎[9]。特別是在1892年，Henri Poincare將所有可能的極化狀態表征到圓球上，即“Poincare極化球”，球面上每個點的緯度和經度唯一地定義了極化橢圓的偏心率和傾角。Poincare極化球加深了人們對極化的直觀理解，成為非常有用的極化狀態表征工具[2,4]。可以看出，上述研究主要是圍繞自然界中可見光的極化屬性展開的。

將極化的存在從可見光擴展到整個電磁波頻段（如圖1-1所示）則要從1873年說起，James Clerk Maxwell成功地提出了電磁場方程組，預言了電磁波的存在[10]，并相繼引發了Hermann von Helmholtz和Gustav Kirchhoff等人對衍射理論的研究。在此基礎上，1886年德國物理學家Heinrich Hertz證明了電磁理論能夠適用于無線電波[11]等頻率較低的波段[4]，進而在1888年觀察到了電磁波的極化特性[10]。這一發現標志著電磁波現代應用的開端，激發了無線電波在通信、目標檢測和測距等領域的廣泛應用[2]。同時也表明無線電波作為電磁波的一種，從本質上也具有極化屬性。這是本書所闡述的極化信息處理技術能夠應用于光通信之外的雷達、衛星通信和無線通信等領域的最為重要的理論前提。

圖1-1 電磁波波譜