光的偏振
“偏光魔镜”的神奇之处

　　“魔镜”真的会“魔法”吗，相信大家都看过精彩绝伦的魔术表演，那么相比之下，科学“魔法”的神奇之处在哪里呢？我们先通过三个小“魔术”来初步认识一下光的偏振现象：

　　实验一

　　1.实验道具：两副立体电影眼镜（注意不是补色立体眼镜）。

　　2.实验内容：两个人面对面分别戴上，然后相互观察对方的眼睛。当双方睁着眼睛时，都能看到对方的 眼睛。当双方睁一只眼闭一只眼时，只能看到对方的一只眼睛，并且是左眼只能看到对方的右眼，右眼只能看到对方的左眼。

　　3.原理：因为眼镜两个镜片的透振方向是相互垂直的，当两个眼镜相对放置时，相对应镜片的透振方向相互垂直。

　　实验二

　　1.实验道具：两块偏振片（可以用立体眼镜代替）和一个光源。

　　2.实验内容：透过两个偏振片看太阳（注意：大家不要轻易去尝试）。

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　　可以看到，如果将一块偏振片放在前面慢慢旋转，光的亮度不随偏振片的旋转发生变化，若将两块偏振片平行放在前面并且只转动其中一个，可看到透射光的光亮发生亮暗的连续变化，转动一圈，两明两暗。

　　3.原理：马吕斯定律。

　　实验三

　　1.实验道具：一块偏振片和一块普通玻璃片。

　　2.实验内容：如下图所示，调整好玻璃片的位置，在右上方眼睛位置要能看到左方物体的影像，把偏振片放在眼睛前面缓慢转动，观察物体影像的变化，将看到物体的影像将发生明暗的变化。

　　3.原理：反射光是部分偏振光。

有趣的实验蕴含着深刻的科学道理，那么究竟什么是光的偏振呢？

　　基本定义是这样：光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。

　　只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光波动性的又一个例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均（从统计角度来讲）说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。

　　电磁波的电场与磁场彼此相互垂直。按照常规，电磁波的偏振方向指的是电场的偏振方向。在自由空间里，电磁波是以横波方式传播，即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向。理论而言，只要垂直于传播方向的方向，振荡的电场可以呈任意方向。

　　假若电场的振荡只朝着单独一个方向，则称此为“线偏振”或“平面偏振”；假若电场的振荡方向是以电磁波的波频率进行旋转动作，并且电场矢量的矢端随着时间流意勾绘出圆型，则称此为“圆偏振”；假若勾绘出椭圆型，则称此为“椭圆偏振”。对于这两个案例，又可按照在任意位置朝着源头望去，电场随时间流易而旋转的顺时针方向、逆时针方向，将圆偏振细分为“右旋圆偏振”、“左旋圆偏振”，将椭圆偏振细分为“右旋椭圆偏振”、“左旋椭圆偏振”；这性质称为手征性。如下图

　　了解了偏振光的定义与分类，大家一定想知道线偏振光是如何从自然光中获得的吧，有以下四种方法：

　　1.利用反射和折射。

　　2.利用二向色性。

　　3.利用晶体的双折射。

　　4.利用散射。

　　另外，线偏振光可以经过波晶片产生圆偏振光和椭圆偏振光。

那么如此奇妙的偏振光，在现代科技中都有哪些应用呢？

　　1. 偏振光使人们可以观看立体电影

　　立体电影的拍摄基于两个摄影机，同时分别拍下同一物体的两个画面，两个摄影机镜头分别为两偏振镜片，镜头1为偏振方向为竖直方向，镜头2为偏振方向为水平方向，同时对物体进行拍摄，就像人的两只眼睛在看同一物体。在电影院放映时镜头A,B就是两台放映机，同时在同一屏幕进行放映。观众每只眼睛只能看到相对应的偏振光图像，也就产生了立体感。

　　2.液晶显示器

　　液晶显示器是一种光偏振调制的资讯显示器件。其主要构造是以经过配向处理的两片玻璃板之间灌入液晶分子，其中的透明电极则用来外加电场以驱使液晶的排列产生变化，并使得液晶层的光电特性发生变化，进而产生光的调制作用。当白光光源所射出的光通过液晶显示器的入射偏振片后，此自然光即被转换为线偏振光，在未施加外来电场于液晶胞的情形下，入射偏振光会顺着液晶分子的排列旋转前进，在正常黑的操作模式时，由于偏振光被出射偏振片阻挡而吸收，因而显示器画面输出暗的状态；相反地，施加电压时，液晶分子倾向平行于施加电场的方向，线偏振光直接通过液晶胞到达出射偏振片，由于入射偏振光的偏振状态不受此液晶分子的影响，并保持与出射偏振片穿透轴方向一致，故能通过出射偏振片形成亮的状态。所以利用适当驱动电压即可得到明暗对比显示的效果。

图7 液晶显示原理

　　3.在摄影镜头前加上偏振镜消除反光 

　　在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面等，常会出现耀斑或反光，这是由于光线的偏振而引起的。在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜面，能够阻挡这些偏振光，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。要通过取景器一边观察一边转动镜面，以便观察消除偏振光的效果。当观察到被摄物体的反光消失时，既可以停止转动镜面。

图8 偏振片效果

　　4.偏振光显微镜

　　一般大型光学金相显微镜和部分台式金相显微镜均带有偏光装置等附件，可同时进行明视场、暗视场、偏光等观察。显微镜的偏光装置就是在入射光路和观察镜筒内各加入一个偏光镜而构成。称前一个偏光镜为“起偏镜”，作用是把来自光源的自然光变成线偏振光；称后一个偏光镜为“检偏镜”，其作用是分辨被线偏振光照射于金属磨面后出射光的偏振状态。与普通光学显微镜相比，偏光显微镜除增加了两个附件一起偏镜和检偏镜外，尚要求载物台沿显微镜的机械中心在水平面内可做3600旋转。为读出角度变化，载物台上标有角度刻度。偏振光显微镜通常用来检测生物体内某些有序结构、镜体的存在及其折射光学性质，同时也可用来检测某些组织中的化学成分。

　　5.汽车使用偏振片防止夜晚对面车灯晃眼

　　汽车在夜晚行驶时，车前灯发射出来的强烈光线会使对面汽车的司机很晃眼，严重影响了夜间行车的安全。我们可以将汽车灯罩设计成斜方向45°的偏振镜片，这样射出去的光都是有规律的斜向光。汽车驾驶员戴一副夜间眼镜，偏振方向与灯罩偏振方向相同。如此一来，驾驶员只能看到自己汽车射出去的光，而对面汽车射来光的震动方向，正好是与本方向汽车成90°角，那样对面的车灯光线就不会再晃到驾驶员的眼睛。

　　当然这个设想要实现还是需要很漫长的道路的，首先世界必须制定一个统一的标准，来规定灯罩与眼镜的偏振方向；其次偏振眼镜必然会损失一部分光线，那么驾驶员的视野会受到影响；而且汽车大灯的功率都很大，其一半的能量都被偏振镜片吸收，一定会产生大量的热，对于汽车灯罩的做工，也是一个非常大的考验。

　　参考文献

　　1.陈颖，韩颖，朱奇光，徐伟编著；张颖审，工程光学，国防工业出版社，2016.06.

　　2.汤毓骏编著，创新基础物理，东华大学出版社，2015.05.

　　3.崔宏滨，吴强编者，光学解题方法与典型例题物理专业,中国科学技术大学出版社,2016.01.

　　4.El-Meanawy Ashraf，Mueller Christopher，Iczkowski Kenneth A.Improving sensitivity of amyloid detection by Congo red stain by using polarizing microscope and avoiding pitfalls [J].Diagnostic pathology,2019,6,10.1186.

　　5.姜先策，孙双双，张光明.巧用身边物，讲好偏振光[J].高校讲坛《科技信息》，2008年第17期.

　　6.田志伟.《偏振光及其应用》.上海科学技术出版社.1957年.

　　7.徐清洪.用3D眼镜片(偏振片)演示光的偏振[J].物理通报，2012.

　　8.灵遁者.《见微知著》.2017 

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文案|李亮亮　　校对|冯少华　　排版|于粲