本文由「Light科普坊」出品

撰稿：王曉杰（南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，南開(kāi)大學(xué)物理科普基地）

審稿專(zhuān)家：高輝（華中科技大學(xué)）

作為上班族，駕車(chē)是我們常用的出行方式。白天，太陽(yáng)光強(qiáng)烈，很多人會(huì)選擇用遮陽(yáng)板去遮擋陽(yáng)光，不僅弄來(lái)弄去很麻煩，還會(huì)擋住視線(xiàn)，但不擋又不行，長(zhǎng)時(shí)間迎著陽(yáng)光開(kāi)車(chē)，容易出現(xiàn)各種眼部疾病，而強(qiáng)光使眼睛不適，造成危險(xiǎn)駕駛。

所以，“太陽(yáng)鏡”成為了司機(jī)的“必備神器”，然而，普通太陽(yáng)鏡可以防護(hù)紫外線(xiàn)和藍(lán)光，對(duì)眩光卻無(wú)可奈何。從道路、水、雪或者前車(chē)玻璃等水平表面反射的光會(huì)產(chǎn)生眩光，照射到司機(jī)眼里嚴(yán)重影響視線(xiàn)，而短暫視野盲區(qū)容易引發(fā)交通事故。

于是，偏光太陽(yáng)鏡就成為了駕車(chē)一族的更優(yōu)選擇，可以有效地減少眩光。但是，有一種情景需要特別強(qiáng)調(diào)：在光線(xiàn)不足的情況下，比如晚上，尤其是在駕駛時(shí)，佩戴任何類(lèi)型的太陽(yáng)鏡都會(huì)使光線(xiàn)進(jìn)一步變?nèi)?，影響視野，所以不建議晚上佩戴。

之前講到偏光太陽(yáng)鏡比普通太陽(yáng)鏡更神奇？這是為什么？今天就讓我們共同探索偏光太陽(yáng)鏡的秘密。

圖1（封面圖）：偏光太陽(yáng)鏡

圖源：Light科普坊/VEER

從字面上看，偏光太陽(yáng)鏡和普通太陽(yáng)鏡的區(qū)別主要體現(xiàn)在 “偏光”二字，這簡(jiǎn)單的兩個(gè)字背后隱藏著什么玄機(jī)呢？要想弄清楚偏光太陽(yáng)鏡的秘密，我們需要先來(lái)認(rèn)識(shí)偏光太陽(yáng)鏡的核心結(jié)構(gòu)——偏振片。

一、偏光太陽(yáng)鏡的核心結(jié)構(gòu)——偏振片 ?1?

現(xiàn)代光學(xué)理論告訴我們，光是一種電磁波。既然是波，那光是橫波還是縱波呢？

1809年，法國(guó)物理學(xué)家馬呂斯（Etienne Louis Malus）發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，證明了光是一種橫波，這表明光波電矢量的振動(dòng)方向與光的傳播方向垂直。在與傳播方向垂直的二維空間里的電矢量有各式各樣的振動(dòng)狀態(tài)，稱(chēng)之為光的偏振態(tài)或者偏振結(jié)構(gòu)。

根據(jù)光波電矢量大小和方向的變化規(guī)律，可以將光分為自然光（圖2a）、線(xiàn)偏振光（圖2b）、部分偏振光（圖2c）等。我們生活中常見(jiàn)的光源屬于自然光，例如太陽(yáng)光、燈光等，發(fā)出光線(xiàn)的振動(dòng)方向雜亂無(wú)章，宏觀(guān)看起來(lái)包含了沿所有方向的振動(dòng)，經(jīng)由界面反射會(huì)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)偏振光或部分偏振光。線(xiàn)偏振光振動(dòng)方向通常都非常固定，只包含單一振動(dòng)方向，部分偏振光則是介于自然光和線(xiàn)偏振光之間的光，不同方向上的振動(dòng)強(qiáng)度不同。了解了光的不同狀態(tài)之后，我們就可以應(yīng)用這一理論分析偏光太陽(yáng)鏡發(fā)揮作用的具體過(guò)程了。

圖2：幾種常見(jiàn)的光振動(dòng)分布（a）自然光；（b）線(xiàn)偏振光；（c）部分偏振光

圖源：王曉杰

光的橫波特性與機(jī)械波中的橫波特性類(lèi)似，我們可以利用機(jī)械波模擬光的偏振現(xiàn)象。偏光太陽(yáng)鏡之所以能過(guò)濾眩光，是因?yàn)槠馓?yáng)鏡只在某個(gè)特定的方向上對(duì)光吸收較少，光可以較多地通過(guò)（圖3a）；而其他方向的振動(dòng)被吸收得較多，光通過(guò)得很少（圖3b）。這一性質(zhì)被稱(chēng)作二向色性，具有二向色性的光學(xué)元器件被稱(chēng)為偏振片，其中能透過(guò)光的振動(dòng)方向稱(chēng)為透振方向。

圖3：利用機(jī)械波模擬光的偏振現(xiàn)象（a）波的振動(dòng)方向與狹縫平行；（b）波的振動(dòng)方向與狹縫垂直

圖源：王曉杰

一般情況下，實(shí)驗(yàn)室中用的偏振片為電氣石晶體或者硫酸殿奎寧晶體。偏光太陽(yáng)鏡一般具有一定的柔性，因此其偏光層的材質(zhì)多是將聚乙烯醇（PVA）拉伸膜和醋酸纖維素膜（TAC）經(jīng)多次復(fù)合、拉伸、涂布等工藝制成的一種復(fù)合材料。

二、偏光太陽(yáng)鏡阻擋眩光的原理

眩光往往是太陽(yáng)光在地面反射形成的，因此我們需要先弄清楚反射光的偏振態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，光在界面上的行為分為反射和折射，能量在它們之間的分配比例與入射角有關(guān)。作為一種波動(dòng)，光在界面上的行為除了能量分配以外，還應(yīng)考慮光的偏振態(tài)變化等問(wèn)題。

自然光可以表示成垂直于紙面和沿紙面的振動(dòng)分布，分別用s和p表示。s和p分別取自德文senkrecht（垂直）和parallel（平行）兩字的字頭。根據(jù)電磁理論可以推導(dǎo)出，自然光經(jīng)界面反射后，沿紙面的振動(dòng)分量（p分量）會(huì)變?nèi)?，因此自然光就變成了部分偏振光（圖4）。

圖4：自然光反射和折射后振動(dòng)的分布。其中，圓點(diǎn)表示振動(dòng)方向垂直于紙面，即s分量，橙色線(xiàn)段表示振動(dòng)方向沿紙面，即p分量。

圖源：王曉杰

知道了上面的原理，我們看一下偏光太陽(yáng)鏡是如何阻擋眩光的。

當(dāng)陽(yáng)光照射在路面上發(fā)生反射時(shí)，反射光的光振動(dòng)以s分量為主，即平行于路面振動(dòng)分量較強(qiáng)，而垂直于路面振動(dòng)分量較弱。要遮住反射光應(yīng)阻擋偏振方向平行于路面的光線(xiàn)。因此，偏光鏡的透振方向應(yīng)為豎直方向，這樣反射的光大部分就會(huì)被過(guò)濾掉，從而減弱眩光（圖5）。以上就是偏光太陽(yáng)鏡防止眩光的基本原理。

圖5：偏光鏡工作原理

圖源：王曉杰

三、判斷偏光太陽(yáng)鏡的效果

那么，如何判斷我們的太陽(yáng)鏡是不是偏光太陽(yáng)鏡呢？

根據(jù)上面的介紹，我們知道當(dāng)自然光通過(guò)偏振片時(shí)，只剩下沿偏振片透振方向的分量（圖6）。

圖6：自然光透過(guò)偏振片后振動(dòng)的分布

圖源：王曉杰

如果將兩個(gè)偏振片沿其透振方向平行放置，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)第一個(gè)偏振片后，仍可以順利通過(guò)第二個(gè)偏振片，因此，偏振片看上去還是透明的，只是光強(qiáng)稍弱一些（圖7a）。如果將第二個(gè)偏振片旋轉(zhuǎn)90°，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)第一個(gè)偏振片后，就無(wú)法通過(guò)第二個(gè)偏振片，看上去將是漆黑一片（圖7b）。利用這個(gè)原理我們就可以判斷偏光太陽(yáng)鏡是不是偏光鏡了。

圖7：光線(xiàn)分別通過(guò)透振方向平行和垂直兩偏振片時(shí)的透光情況（a）兩偏振片的透振方向平行；（b）兩偏振片的透振方向垂直

圖源：王曉杰

如果手邊沒(méi)有偏振片，我們可以利用液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，LCD）。液晶顯示屏利用液晶與偏振器結(jié)合的光調(diào)制特性來(lái)控制顯示屏的亮暗，因此液晶屏發(fā)出的光是偏振光。我們可以拿太陽(yáng)鏡放在眼睛前方觀(guān)察液晶屏幕，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)鏡。如果能觀(guān)察到光線(xiàn)發(fā)生亮→暗→亮→暗的變化，那么這幅太陽(yáng)鏡就是偏光太陽(yáng)鏡（圖8）。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)光線(xiàn)最暗和最亮?xí)r太陽(yáng)鏡的角度差是90°（圖7）。

圖8(gif)：借助LCD檢測(cè)偏光太陽(yáng)鏡

圖源：王曉杰

進(jìn)一步地，我們還可以利用LCD判斷偏光太陽(yáng)鏡的質(zhì)量。我們把最暗和最亮狀態(tài)下的光強(qiáng)比稱(chēng)之為消光比。消光比是衡量偏振器件質(zhì)量的重要參數(shù)。消光比愈小，偏振器件產(chǎn)生的偏振光的偏振度高。一般人造偏振片的消光比約為1:1000。

從上面的介紹可以知道，偏光太陽(yáng)鏡因增加了偏振片層（偏光層），可有效減弱因反射等各種因素所造成的眩光。同時(shí)，偏光太陽(yáng)鏡中往往還會(huì)增加紫外線(xiàn)過(guò)濾層、吸收層等，可以在一定程度上阻隔有害的紫外光線(xiàn)，達(dá)到對(duì)人眼的有效保護(hù)。普通太陽(yáng)眼鏡只具有減弱光強(qiáng)的作用，無(wú)法有效阻隔眩光等有害光線(xiàn)。

四、偏振片的其他應(yīng)用 ?2?

偏光鏡除了用作偏光太陽(yáng)鏡以外，在生活中還有很多其他應(yīng)用。例如，對(duì)于攝影愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，偏光鏡是再熟悉不過(guò)的工具之一。拍攝水面或者玻璃房間內(nèi)的景物時(shí)，往往由于光線(xiàn)在水面或者玻璃上的反射，產(chǎn)生很強(qiáng)的反光，影響拍攝質(zhì)量。此時(shí)，在鏡頭前面加一個(gè)偏光鏡阻擋反射光，能使人清楚地觀(guān)測(cè)水里或玻璃后面的景物（圖9）。

圖9：利用偏光鏡拍攝室內(nèi)景物（a）未加偏光鏡；（b）加偏光鏡

圖源：王曉杰

當(dāng)想要觀(guān)測(cè)日食時(shí)，為了保護(hù)眼睛免于太陽(yáng)光的傷害，使用雙層偏振片制成的眼鏡可以降低陽(yáng)光的強(qiáng)度，這樣就可以進(jìn)行觀(guān)測(cè)了（圖10）。

圖10：在日食期間手持特殊的眼鏡

圖源：Light科普坊/VEER

此外，我們平時(shí)觀(guān)看的3D電影，也是利用了光的偏振特性。拍攝3D電影時(shí)，需要用兩個(gè)攝影機(jī)同時(shí)拍下同一物體的兩個(gè)畫(huà)面，再分別對(duì)兩個(gè)畫(huà)面進(jìn)行偏振化處理。利用偏振片做成的3D眼鏡，其透振方向相互垂直（圖11）。觀(guān)看電影時(shí)，每個(gè)鏡片只允許偏振方向與其透振方向相同的畫(huà)面進(jìn)入人眼，兩只眼睛看到的畫(huà)面不同，從而形成立體化的影像。

圖11：偏振3D眼鏡

圖源：Light科普坊/VEER

看完上面的介紹，大家還能想到生活中哪些現(xiàn)象是利用了光的偏振原理？

本文封面圖由Light科普坊提供 

參考資料：

[1].趙凱華. 新概念物理教程 光學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社, 2004.

[2].宋峰. 文科物理-生活中的物理學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2013.

| 作者簡(jiǎn)介 | 

王曉杰，南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院助理研究員，博士，主要從事物理教學(xué)科研工作。目前主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)，教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目1項(xiàng)，作為第一作者/通訊作者在Applied Physics Letters等國(guó)內(nèi)外期刊發(fā)表論文多篇，以第一完成人授權(quán)國(guó)家專(zhuān)利3項(xiàng)，軟件著作3項(xiàng)?？破展ぷ髡?，中國(guó)物理學(xué)會(huì)“蒲公英計(jì)劃”科普宣講專(zhuān)家、Light科普仿科普作者、南開(kāi)大學(xué)物理科普基地科普宣講團(tuán)專(zhuān)家。曾獲天津市科普微視頻大賽一等獎(jiǎng)等科普獎(jiǎng)勵(lì)。

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