淺談光的偏振

淺談光的偏振

作者：黃尚永

光的偏振是大學(xué)物理才會(huì)講到的概念，但是在生活中有很普遍的應(yīng)用，中小學(xué)生也可以了解一些偏振的知識(shí)。不過想要了解偏振，得有一定的關(guān)于光的知識(shí)基礎(chǔ)，這也是大學(xué)物理階段才講到偏振的原因。

1、關(guān)于光的本性

光在生活中實(shí)在是太重要了，沒有光，人類將生活在漫漫長(zhǎng)夜。最早、最普遍、直到現(xiàn)在也是最重要的光源當(dāng)然是太陽(yáng)。在幾千年的歷史長(zhǎng)河中，由于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步緩慢，人類大部分時(shí)間依靠火把、蠟燭、油燈等照亮黑暗。直到進(jìn)入電氣時(shí)代，才有了豐富多彩的燈具。那么，光到底是什么東西呢？早期，也有不少人記錄了一些光學(xué)現(xiàn)象，比如中國(guó)古代的思想家墨子就在《墨經(jīng)》里記錄了小孔成像現(xiàn)象，著名的古希臘哲學(xué)家歐幾里德也寫有光學(xué)的著作，他們主要是記錄一些現(xiàn)象，對(duì)光的本質(zhì)還不能形成科學(xué)的認(rèn)知。早期人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以“上帝說，要有光，于是就有了光”。

著名的大科學(xué)家牛頓認(rèn)為，光是由許多看不見的微粒組成的， 用微粒說可以解釋一些簡(jiǎn)單的光學(xué)現(xiàn)象，比如光的直線傳播（微粒在空氣中沒有阻力就可以一直向前傳播）、反射（微粒碰到鏡面，會(huì)反彈改變方向）等。大家都知道牛頓的主要貢獻(xiàn)在力學(xué)方面，他發(fā)現(xiàn)了物體的運(yùn)動(dòng)定律，所以他把光想像成微粒，用解釋物體運(yùn)動(dòng)的理論解釋光學(xué)現(xiàn)象，也就不奇怪了。對(duì)于沒有光學(xué)知識(shí)的人，也是很容易理解光的微粒說的，可以想像光照過一片灰塵，在光的照射下，能清楚地看到很多微粒，當(dāng)然光的微粒是看不到摸不著的，不過用灰塵微粒想像光的微粒，是不是就很形象了？

（圖1， 光線通過微粒）

但是隨著科學(xué)家們陸續(xù)觀察到更多的光學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還有不少現(xiàn)象無(wú)法用微粒說解釋，比如光的干涉、衍射等現(xiàn)象（限于篇幅和主題，本文不討論這些現(xiàn)象），這些現(xiàn)象需要用波動(dòng)的觀點(diǎn)去解釋，就是把光想像成一種波，因?yàn)橹挥杏貌▌?dòng)說才能解釋干涉、衍射等現(xiàn)象。波也是我們生活中常見的現(xiàn)象，波動(dòng)是振動(dòng)的傳播，比如抖動(dòng)長(zhǎng)繩子能看見繩子上的波，在水中投入石頭能看到水波，說話的時(shí)候有聲波，地震的時(shí)候有地震波。光也是一種波，它是電磁波（可見光只占到電磁波很小的一段，電磁波還有無(wú)線電波，微波等其他形式），只不過光的波長(zhǎng)非常小，我們不能像看到繩波或水波那樣看到光的波?？纯此ǖ膱D片，我們可以想像，光源發(fā)出光后，也以波動(dòng)的形式向外傳播。

（圖2， 水波的產(chǎn)生和傳播）

這樣看來(lái)，光既有微粒性，又有波動(dòng)性，這稱為光的波粒二象性。光的偏振現(xiàn)象，也需要用光的波動(dòng)性質(zhì)來(lái)解釋，歷史上，光的偏振現(xiàn)象也是支撐光的波動(dòng)說的有力證據(jù)，干涉和衍射現(xiàn)象能證明光是波，偏振現(xiàn)象進(jìn)一步證明了光是橫波（振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，見下文的描述。）

2、光的偏振現(xiàn)象

上面提到光是一種電磁波，波是振動(dòng)的傳播，偏振，顧名思義，就是振動(dòng)方向偏了，那么，光應(yīng)該是怎么振動(dòng)的呢，它怎么就偏振了？

下圖中，箭頭代表光的傳播方向，黃色和紫色分別代表光（電磁波）里的電矢量和磁矢量（可以不知道什么是矢量，想像成電的元素和磁的元素就行）。自然光就是以這樣的形式向前傳播，也就是說在垂直光的傳播方向的截面上，電矢量和磁矢量相互垂直著一邊振動(dòng)，一遍向前傳播，電矢量和磁矢量是等同的，或者說是對(duì)稱的，這樣的光不是偏振光。（實(shí)際上，在垂直光的傳播方向上，電矢量和磁矢量是無(wú)差別地朝著各個(gè)方向振動(dòng)的，為了討論問題的方便，把它們分解集中在兩個(gè)相互垂直的方向上。）

（圖3，電磁波傳播示意圖）

但是自然界存在著一些神奇的物質(zhì)（比如硫酸金雞鈉鹼），這樣的物質(zhì)能吸收某一方向的光振動(dòng)，而只讓垂直這個(gè)方向的光振動(dòng)通過，這樣就破壞了電矢量和磁矢量的等同性，它們不再是朝各個(gè)方向振動(dòng)，有的方向上振動(dòng)強(qiáng)，有的方向上振動(dòng)弱或者完全沒有，這就是偏振光了。把這些神奇的物質(zhì)涂在透明薄片上，就做成了偏振片，偏振片有自己特定的偏振方向。這樣，自然光通過偏振片，就可以形成偏振光，偏振片的偏振方向決定了偏振光的偏振方向，偏振光在向前傳播過程中，就只沿偏振方向振動(dòng)了。

比如下面這張圖，自然光（普通光、不偏振的光）經(jīng)過一個(gè)偏振片后，就變成了偏振光，只在一個(gè)方向振動(dòng)了，如果再通過一個(gè)偏振片，取決于兩片偏振片放置方向的不同，能看到從最亮（偏振方向相同）到最暗（偏振方向垂直）的效果。 我們可以把第一個(gè)偏振片叫做起偏器，就是說經(jīng)過它后自然光變成了偏振光，把第二個(gè)偏振片叫做檢偏器，就是說怎么檢驗(yàn)光經(jīng)過第一個(gè)偏振片變成了偏振光呢？因?yàn)樗?jīng)過第二個(gè)偏振片，旋轉(zhuǎn)第二個(gè)偏振片的方向，能看到透過光的明暗變化。這種現(xiàn)象最早于1808年由法國(guó)物理學(xué)家馬呂斯（1775-1812年）經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和證實(shí)，馬呂斯也總結(jié)出了定量解釋這種現(xiàn)象的馬呂斯定律（限于文章定位，不再給出馬呂斯定律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式）。

（圖4， 起偏和檢偏的示意圖）

下邊這兩張圖更形象得演示了兩張偏振片，以不同方式疊加時(shí)的效果，偏振方向相互垂直疊加時(shí)就完全不透光了。當(dāng)然我們?nèi)庋劭床怀銎衿钠穹较?，根?jù)效果我們就知道它們是怎么疊加的

（圖5， 偏振片以不同方式疊加時(shí)的效果）

偏振的這個(gè)性質(zhì)，可以借助條紋膠片來(lái)幫助理解，使用兩張有條紋的膠片，當(dāng)然是條紋方向相同時(shí)，可以透光，可以最清楚地看到后面的東西；而當(dāng)兩個(gè)條紋膠片的條紋相互垂直，形成格子狀時(shí)，就不能透光，不能看到后面的東西，條紋越密，現(xiàn)象越明顯。把偏振片想像成密密的條紋膠片，就很容易理解兩片偏振片形成的現(xiàn)象了。

(圖6， 用條紋膠片類比偏振片)

3、偏振的應(yīng)用

（1）3D眼鏡

(圖7 ，3D眼睛)

大家到電影院看3D以上電影時(shí)，需要戴上電影院配備的眼鏡，才能看到逼真的立體效果，不戴眼鏡就感覺畫面有點(diǎn)虛，看著眼暈，這種眼鏡的鏡片就是偏振片。

戴上眼鏡能產(chǎn)生立體感的主要原因是左右眼看到的畫面不同，拍攝電影時(shí)使用一左一右兩個(gè)鏡頭，左邊鏡頭的影像經(jīng)過一個(gè)橫向偏振片，得到橫向偏振光，右邊鏡頭的影像經(jīng)過一個(gè)縱向偏振片，得到縱向偏振光。

3D立體眼鏡的左右鏡片分別是橫向偏振片和縱向偏振片，橫向偏振光只能通過橫向偏振片，縱向偏振光只能通過縱向偏振片，這樣就保證了左邊鏡頭拍攝的影響只能進(jìn)入左眼，右邊鏡頭拍攝到的影響只能進(jìn)入右眼，左右眼看到的影像不同，就產(chǎn)生了立體的效果。

（2）液晶顯示器屏幕上的偏振膜

比起看電影，我們接觸更多的是液晶顯示器，基本上家里都有液晶電視、液晶電腦等，但估計(jì)很少有人知道液晶顯示器屏幕上也有偏振膜。有些顯示器會(huì)在醒目的位置貼有“禁止撕下屏幕貼膜”的提示，在很多用戶的潛意識(shí)里，屏幕表面的貼膜不就是保護(hù)屏幕免劃傷的嗎？揭下來(lái)又能怎么樣？

（圖8， 顯示器貼膜提示）

液晶顯示器成像需要3個(gè)關(guān)鍵部件：背光燈、液晶屏、偏振膜。當(dāng)顯示器通電后背光燈打開，此時(shí)從液晶屏透出的光（電磁波）不是我們能看到的自然光，它是一種偏振光，人眼是無(wú)法識(shí)別這種偏振光的，只能看到一片白色的畫面。而覆蓋在液晶屏表面的偏振膜能將人眼無(wú)法識(shí)別的偏振光“翻譯”成可以識(shí)別的色彩并呈現(xiàn)出來(lái)。

偏振是不是還挺重要的？想要知道更多的偏振知識(shí)，比如偏振光的各種形式，怎樣用其他方法得到偏振光，馬呂斯定律是怎么寫的等，就努力學(xué)習(xí)吧。