淺談光的偏振
作者:黃尚永
光的偏振是大學(xué)物理才會講到的概念,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。不過想要了解偏振,得有一定的關(guān)于光的知識基礎(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
光在生活中實在是太重要了,沒有光,人類將生活在漫漫長夜。最早、最普遍、直到現(xiàn)在也是最重要的光源當(dāng)然是太陽。在幾千年的歷史長河中,由于科學(xué)技術(shù)進步緩慢,人類大部分時間依靠火把、蠟燭、油燈等照亮黑暗。直到進入電氣時代,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,對光的本質(zhì)還不能形成科學(xué)的認(rèn)知。早期人類對光的認(rèn)識是遠遠不夠的,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,會反彈改變方向)等。大家都知道牛頓的主要貢獻在力學(xué)方面,他發(fā)現(xiàn)了物體的運動定律,所以他把光想像成微粒,用解釋物體運動的理論解釋光學(xué)現(xiàn)象,也就不奇怪了。對于沒有光學(xué)知識的人,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)實驗現(xiàn)象,還有不少現(xiàn)象無法用微粒說解釋,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)象需要用波動的觀點去解釋,就是把光想像成一種波,因為只有用波動說才能解釋干涉、衍射等現(xiàn)象。波也是我們生活中常見的現(xiàn)象,波動是振動的傳播,比如抖動長繩子能看見繩子上的波,在水中投入石頭能看到水波,說話的時候有聲波,地震的時候有地震波。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,電磁波還有無線電波,微波等其他形式),只不過光的波長非常小,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,也以波動的形式向外傳播。
(圖2, 水波的產(chǎn)生和傳播)
這樣看來,光既有微粒性,又有波動性,這稱為光的波粒二象性。光的偏振現(xiàn)象,也需要用光的波動性質(zhì)來解釋,歷史上,光的偏振現(xiàn)象也是支撐光的波動說的有力證據(jù),干涉和衍射現(xiàn)象能證明光是波,偏振現(xiàn)象進一步證明了光是橫波(振動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,波是振動的傳播,偏振,顧名思義,就是振動方向偏了,那么,光應(yīng)該是怎么振動的呢,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,一遍向前傳播,電矢量和磁矢量是等同的,或者說是對稱的,這樣的光不是偏振光。(實際上,在垂直光的傳播方向上,電矢量和磁矢量是無差別地朝著各個方向振動的,為了討論問題的方便,把它們分解集中在兩個相互垂直的方向上。)
(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,而只讓垂直這個方向的光振動通過,這樣就破壞了電矢量和磁矢量的等同性,它們不再是朝各個方向振動,有的方向上振動強,有的方向上振動弱或者完全沒有,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了。
比如下面這張圖,自然光(普通光、不偏振的光)經(jīng)過一個偏振片后,就變成了偏振光,只在一個方向振動了,如果再通過一個偏振片,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,把第二個偏振片叫做檢偏器,就是說怎么檢驗光經(jīng)過第一個偏振片變成了偏振光呢?因為它經(jīng)過第二個偏振片,旋轉(zhuǎn)第二個偏振片的方向,能看到透過光的明暗變化。這種現(xiàn)象最早于1808年由法國物理學(xué)家馬呂斯(1775-1812年)經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)和證實,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,以不同方式疊加時的效果,偏振方向相互垂直疊加時就完全不透光了。當(dāng)然我們?nèi)庋劭床怀銎衿钠穹较颍鶕?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的效果)
偏振的這個性質(zhì),可以借助條紋膠片來幫助理解,使用兩張有條紋的膠片,當(dāng)然是條紋方向相同時,可以透光,可以最清楚地看到后面的東西;而當(dāng)兩個條紋膠片的條紋相互垂直,形成格子狀時,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,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,拍攝電影時使用一左一右兩個鏡頭,左邊鏡頭的影像經(jīng)過一個橫向偏振片,得到橫向偏振光,右邊鏡頭的影像經(jīng)過一個縱向偏振片,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入左眼,右邊鏡頭拍攝到的影響只能進入右眼,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里,屏幕表面的貼膜不就是保護屏幕免劃傷的嗎?揭下來又能怎么樣?
(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,人眼是無法識別這種偏振光的,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法識別的偏振光“翻譯”成可以識別的色彩并呈現(xiàn)出來。
偏振是不是還挺重要的?想要知道更多的偏振知識,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。