浅谈光的偏振

浅谈光的偏振

作者：黄尚永

光的偏振是大学物理才会讲到的概念，但是在生活中有很普遍的应用，中小学生也可以了解一些偏振的知识。不过想要了解偏振，得有一定的关于光的知识基础，这也是大学物理阶段才讲到偏振的原因。

1、关于光的本性

光在生活中实在是太重要了，没有光，人类将生活在漫漫长夜。最早、最普遍、直到现在也是最重要的光源当然是太阳。在几千年的历史长河中，由于科学技术进步缓慢，人类大部分时间依靠火把、蜡烛、油灯等照亮黑暗。直到进入电气时代，才有了丰富多彩的灯具。那么，光到底是什么东西呢？早期，也有不少人记录了一些光学现象，比如中国古代的思想家墨子就在《墨经》里记录了小孔成像现象，著名的古希腊哲学家欧几里德也写有光学的著作，他们主要是记录一些现象，对光的本质还不能形成科学的认知。早期人类对光的认识是远远不够的，所以“上帝说，要有光，于是就有了光”。

著名的大科学家牛顿认为，光是由许多看不见的微粒组成的， 用微粒说可以解释一些简单的光学现象，比如光的直线传播（微粒在空气中没有阻力就可以一直向前传播）、反射（微粒碰到镜面，会反弹改变方向）等。大家都知道牛顿的主要贡献在力学方面，他发现了物体的运动定律，所以他把光想像成微粒，用解释物体运动的理论解释光学现象，也就不奇怪了。对于没有光学知识的人，也是很容易理解光的微粒说的，可以想像光照过一片灰尘，在光的照射下，能清楚地看到很多微粒，当然光的微粒是看不到摸不着的，不过用灰尘微粒想像光的微粒，是不是就很形象了？

（图1， 光线通过微粒）

但是随着科学家们陆续观察到更多的光学实验现象，还有不少现象无法用微粒说解释，比如光的干涉、衍射等现象（限于篇幅和主题，本文不讨论这些现象），这些现象需要用波动的观点去解释，就是把光想像成一种波，因为只有用波动说才能解释干涉、衍射等现象。波也是我们生活中常见的现象，波动是振动的传播，比如抖动长绳子能看见绳子上的波，在水中投入石头能看到水波，说话的时候有声波，地震的时候有地震波。光也是一种波，它是电磁波（可见光只占到电磁波很小的一段，电磁波还有无线电波，微波等其他形式），只不过光的波长非常小，我们不能像看到绳波或水波那样看到光的波。看看水波的图片，我们可以想像，光源发出光后，也以波动的形式向外传播。

（图2， 水波的产生和传播）

这样看来，光既有微粒性，又有波动性，这称为光的波粒二象性。光的偏振现象，也需要用光的波动性质来解释，历史上，光的偏振现象也是支撑光的波动说的有力证据，干涉和衍射现象能证明光是波，偏振现象进一步证明了光是横波（振动方向垂直于传播方向的波，见下文的描述。）

2、光的偏振现象

上面提到光是一种电磁波，波是振动的传播，偏振，顾名思义，就是振动方向偏了，那么，光应该是怎么振动的呢，它怎么就偏振了？

下图中，箭头代表光的传播方向，黄色和紫色分别代表光（电磁波）里的电矢量和磁矢量（可以不知道什么是矢量，想像成电的元素和磁的元素就行）。自然光就是以这样的形式向前传播，也就是说在垂直光的传播方向的截面上，电矢量和磁矢量相互垂直着一边振动，一遍向前传播，电矢量和磁矢量是等同的，或者说是对称的，这样的光不是偏振光。（实际上，在垂直光的传播方向上，电矢量和磁矢量是无差别地朝着各个方向振动的，为了讨论问题的方便，把它们分解集中在两个相互垂直的方向上。）

（图3，电磁波传播示意图）

但是自然界存在着一些神奇的物质（比如硫酸金鸡钠硷），这样的物质能吸收某一方向的光振动，而只让垂直这个方向的光振动通过，这样就破坏了电矢量和磁矢量的等同性，它们不再是朝各个方向振动，有的方向上振动强，有的方向上振动弱或者完全没有，这就是偏振光了。把这些神奇的物质涂在透明薄片上，就做成了偏振片，偏振片有自己特定的偏振方向。这样，自然光通过偏振片，就可以形成偏振光，偏振片的偏振方向决定了偏振光的偏振方向，偏振光在向前传播过程中，就只沿偏振方向振动了。

比如下面这张图，自然光（普通光、不偏振的光）经过一个偏振片后，就变成了偏振光，只在一个方向振动了，如果再通过一个偏振片，取决于两片偏振片放置方向的不同，能看到从最亮（偏振方向相同）到最暗（偏振方向垂直）的效果。 我们可以把第一个偏振片叫做起偏器，就是说经过它后自然光变成了偏振光，把第二个偏振片叫做检偏器，就是说怎么检验光经过第一个偏振片变成了偏振光呢？因为它经过第二个偏振片，旋转第二个偏振片的方向，能看到透过光的明暗变化。这种现象最早于1808年由法国物理学家马吕斯（1775-1812年）经过实验发现和证实，马吕斯也总结出了定量解释这种现象的马吕斯定律（限于文章定位，不再给出马吕斯定律的数学表达形式）。

（图4， 起偏和检偏的示意图）

下边这两张图更形象得演示了两张偏振片，以不同方式叠加时的效果，偏振方向相互垂直叠加时就完全不透光了。当然我们肉眼看不出偏振片的偏振方向，根据效果我们就知道它们是怎么叠加的

（图5， 偏振片以不同方式叠加时的效果）

偏振的这个性质，可以借助条纹胶片来帮助理解，使用两张有条纹的胶片，当然是条纹方向相同时，可以透光，可以最清楚地看到后面的东西；而当两个条纹胶片的条纹相互垂直，形成格子状时，就不能透光，不能看到后面的东西，条纹越密，现象越明显。把偏振片想像成密密的条纹胶片，就很容易理解两片偏振片形成的现象了。

(图6， 用条纹胶片类比偏振片)

3、偏振的应用

（1）3D眼镜

(图7 ，3D眼睛)

大家到电影院看3D以上电影时，需要戴上电影院配备的眼镜，才能看到逼真的立体效果，不戴眼镜就感觉画面有点虚，看着眼晕，这种眼镜的镜片就是偏振片。

戴上眼镜能产生立体感的主要原因是左右眼看到的画面不同，拍摄电影时使用一左一右两个镜头，左边镜头的影像经过一个横向偏振片，得到横向偏振光，右边镜头的影像经过一个纵向偏振片，得到纵向偏振光。

3D立体眼镜的左右镜片分别是横向偏振片和纵向偏振片，横向偏振光只能通过横向偏振片，纵向偏振光只能通过纵向偏振片，这样就保证了左边镜头拍摄的影响只能进入左眼，右边镜头拍摄到的影响只能进入右眼，左右眼看到的影像不同，就产生了立体的效果。

（2）液晶显示器屏幕上的偏振膜

比起看电影，我们接触更多的是液晶显示器，基本上家里都有液晶电视、液晶电脑等，但估计很少有人知道液晶显示器屏幕上也有偏振膜。有些显示器会在醒目的位置贴有“禁止撕下屏幕贴膜”的提示，在很多用户的潜意识里，屏幕表面的贴膜不就是保护屏幕免划伤的吗？揭下来又能怎么样？

（图8， 显示器贴膜提示）

液晶显示器成像需要3个关键部件：背光灯、液晶屏、偏振膜。当显示器通电后背光灯打开，此时从液晶屏透出的光（电磁波）不是我们能看到的自然光，它是一种偏振光，人眼是无法识别这种偏振光的，只能看到一片白色的画面。而覆盖在液晶屏表面的偏振膜能将人眼无法识别的偏振光“翻译”成可以识别的色彩并呈现出来。

偏振是不是还挺重要的？想要知道更多的偏振知识，比如偏振光的各种形式，怎样用其他方法得到偏振光，马吕斯定律是怎么写的等，就努力学习吧。