1.2 极化的历史

自然界中的一些昆虫、鱼类和哺乳动物等生物能够轻易地分辨极化光和未极化光，并利用光的极化特性来确定航向、控制运动路线等。与之相比，人类几乎是“极化盲”，使用肉眼很难分辨光的极化，通常需要借助极化滤波器等工具来进行辨别。人类历史上对极化的利用最早可以追溯到公元8世纪，维京人（Vikings）利用阳光照射到堇青石上所产生的极化光来判断太阳的位置，即使是在阴天、浓雾天等无法看见太阳的天气中，也能够在波罗的海导航[4]。

对于极化的最早科学研究记载由丹麦科学家Erasmus Bartolinus于1669年提出[5]，他利用方解石晶体将一束入射光分解产生了“普通光”和“异常光”两束不同的折射光线。然而由于当时人们对光的物理特性的理解有限，Bartolinus将这种双折射现象误解为是由于方解石晶体内存在两个“孔道”而引起的。1690年，荷兰科学家Christian Huygens继Bartolinus之后研究发现[6]，方解石的两束折射光线的本质差别在于具有不同的极化，但仍然无法解释双折射现象的产生原因。

伴随着光学理论的不断发展，人们对极化的理解和研究也在逐渐深入。直到1808年，法国科学家Etienne Louis Malus证实了极化是光的本质属性而非由晶体所产生[7]。他将方解石晶体看作滤光器来研究光的极化，发现当极化光照射到方解石合适的位置时就会产生双折射现象，并给出了入射光为线极化光时方解石位置与折射光量之间的关系式。David Brewster拓展了Malus的工作，在1812年得到了当反射光为完全线极化光时入射角与折射率之间应满足的条件（这一发现被称为Brewster定律），并在1816年进一步得到了极化角和介电材料相对折射功率之间的关系[8]。同年，法国物理学家Augustin-Jean Fresnel从理论上解释了极化的存在。1852年，George Gabriel Stokes引入了4个参量来表征极化、未极化和部分极化光，即著名的“Stokes参数”，奠定了极化表征的数学理论基础[9]。特别是在1892年，Henri Poincare将所有可能的极化状态表征到圆球上，即“Poincare极化球”，球面上每个点的纬度和经度唯一地定义了极化椭圆的偏心率和倾角。Poincare极化球加深了人们对极化的直观理解，成为非常有用的极化状态表征工具[2,4]。可以看出，上述研究主要是围绕自然界中可见光的极化属性展开的。

将极化的存在从可见光扩展到整个电磁波频段（如图1-1所示）则要从1873年说起，James Clerk Maxwell成功地提出了电磁场方程组，预言了电磁波的存在[10]，并相继引发了Hermann von Helmholtz和Gustav Kirchhoff等人对衍射理论的研究。在此基础上，1886年德国物理学家Heinrich Hertz证明了电磁理论能够适用于无线电波[11]等频率较低的波段[4]，进而在1888年观察到了电磁波的极化特性[10]。这一发现标志着电磁波现代应用的开端，激发了无线电波在通信、目标检测和测距等领域的广泛应用[2]。同时也表明无线电波作为电磁波的一种，从本质上也具有极化属性。这是本书所阐述的极化信息处理技术能够应用于光通信之外的雷达、卫星通信和无线通信等领域的最为重要的理论前提。