通识物理：光的偏振现象解析

根据德布罗意的发现，我们现在已经知道：“光具有波粒二象性。”那么光波究竟是像上下抖动的绳索那样属于横波呢？还是像疏密传递的声波那样属于纵波呢？从17 世纪到19 世纪初，在这漫长的一百多年时间里，相信波动说的人们都将光波与声波相类比，无形中已把光波当作纵波了，惠更斯所提出的波动说也是针对纵波的。1808年，法国物理学家马吕斯首次在实验中观察到了“光的偏振现象”。实验中，马吕斯首先将玻璃片侵染碘后拉伸制成了“特殊的遮光片”，然后他隔着两块遮光片去观察太阳，发现当旋转其中一块遮光片时，阳光的强度会出现忽强忽弱的现象。根据这个现象，马吕斯认为这块遮光片就好像有一条可以透光的“狭缝”，光波通过后将只在沿狭缝的方向上振动，而当用另一块也有一条“透光狭缝”的遮光片去观察这束处理后的光波时，则会发现光的强度与两条“透光狭缝”间的夹角有关。显然，当夹角为零，也就是两条“透光狭缝”完全重合时，透过光的强度最大；而当两条“透光狭缝”相互垂直时，透过光的强度将最小。由此，马吕斯终于认识到光其实应该是一种横波，且光始终在垂直于传播方向的平面内振动着。

现在，我们已经知道：光波的振动方向不是唯一的，自然光在振动平面内360°的各个方向上都有振动（如图11.13所示），而且振幅是相同的，比如太阳光。但并不是所有的光都是这样，如果一束光波在垂直于传播方向上的振动具有不对称性，也就是有“偏向某个方向的振动”，这个现象就叫作光的“偏振”。比如图11.13 所示的自然光通过偏振片后只在竖直方向振动。显然，马吕斯所看到的透过两块遮光片后光强发生变化的现象就源自光的“偏振”现象，那块“特殊的遮光片”则是使光线发生偏振的“偏振片”；而他所确定的偏振光强度（I）与偏振角（α）间变化关系的规律，则被人称为“马吕斯定律”，其数学表达式为：

1817 年，菲涅耳也独立地领悟到了马吕斯的观点，并运用横波理论成功解释了偏振光的干涉现象；同一年，马吕斯通过研究光在晶体中的双折射现象，也进一步证明了双折射现象其实也源自光的“偏振”。1865 年，麦克斯韦则根据所建立的电磁理论从本质上说明了光的偏振现象，明确了光波的振动方向其实是电振动矢量E（又叫光矢量），它的振动方向始终和光的传播方向垂直。由此，光的偏振观点终于被人们所认可，而光的偏振现象反过来也有力地证明了“光是一种横波”的结论。

图11.13　自然光的起偏和检偏

根据光的偏振原理，我们通常采用偏振片的方法来引入偏振效应。如图11.13 所示，我们让一束在360°的方向上都有振动的自然光通过一个偏振片，就像过滤一样，偏振片将只允许一个振动方向的光通过，所得到的光就叫作“线偏振光”，这个过程则叫作“起偏”。对于线偏振光，如果我们透过具有相同偏振方向的偏振片去观察，就会看到这束线偏振光；但如果偏振片与光的偏振方向相互垂直，我们就不能看到这束线偏振光，这个过程叫作“检偏”。比如：当我们用一块偏振片对着灯光进行观察时，可以看到偏振片里的景象变暗了，也就是所谓的减光效果。这是因为灯光是自然光，在360°的方向上都有振动，而偏振片会滤掉大部分光线，只让一个振动方向的光通过，也就是产生了线偏振光，所以会导致灯光变暗。这个时候，我们如果再用另一个偏振片去观察所产生的线偏振光，就可以看到：当我们旋转后面的偏振片时，灯光有时变亮，有时变暗（请参见本书配套慕课视频）。这是因为，灯光在通过第一个偏振片后就变成了线偏振光，这束线偏振光与后面偏振片的振动方向如果相同，偏振光就能全部通过，让我们看到最亮的灯光；但如果通过旋转，使这束线偏振光与后面偏振片的转动方向刚好垂直，线偏振光就不能通过，所以我们也就几乎看不到灯光了。值得注意的是：光的光矢量包含一切可能方向的振动，且不同方向上的振幅可能不等。因此，除了我们在前面提到的在360°的方向上振幅均等的自然光，以及只在一个方向上有振动的线偏振光，还存在“部分偏振光”，其特征是：某一方向的光振动（光矢量）比与之相垂直方向上的光振动占优势，比较典型的部分偏振光包括：圆偏振光和椭圆偏振光。

通常，我们可以根据实际需要来产生线偏振光，或者使线偏振光的方向发生改变，而“法拉第效应”就是改变光的偏振方向的一种手段。1845年的一天，英国著名物理学家法拉第正在做一个光学实验。当时，法拉第通过镜面的反射，将一支蜡烛发出的光变成一束线偏振光，然后法拉第再通过一个检偏镜，来观察这束线偏振光。一开始，由于检偏镜与光的偏振方向相互垂直，偏振光无法通过检偏镜，所以法拉第并不能看到蜡烛的影像；然而，当法拉第将一块玻璃砖放到光的路径上，并通过电磁铁施加一个外加磁场时，原本看不到的蜡烛影像出现了。这个实验说明：外加磁场使玻璃中光的线偏振方向发生了改变，从而通过检偏镜使法拉第看到了蜡烛。法拉第效应是一种典型的磁光效应，其物理表述为：“当光在玻璃等磁光介质中传播时，光的偏振方向会受到磁场的影响，并偏转一定的角度。”由于这个磁光现象是由著名物理学家法拉第在实验中首先发现的，所以被叫作“法拉第效应”。(www.xing528.com)

除了可以应用法拉第效应来改变线偏振光的振动方向，我们还可以根据应用的需要将自然光变为线偏振光。在现实生活中，偏振片是获得线偏振光的最有效途径，而其他能使自然光变成偏振光的方法通常还包括：反射、折射、二向色性、晶体双折射、散射等等。在自然界中，反射和散射算是产生偏振光的最常见途径了。比如在摄影中，我们常常会遇到表面反光的物体，而这些反光其实就是光在界面反射时所产生的线偏振光。因此我们在拍摄时可以选用合适的偏振镜，屏蔽掉这些线偏振光，从而获得更清晰的拍摄效果。拍摄天空时也是同样的道理，由于天空中散射的光线也主要是线偏振光，所以如果我们合理选用偏振镜，就可以拍摄出更加清晰和出彩的景象。如本书配套慕课视频中所示，大概没有人能想到，在白茫茫的天空中，透过偏振片竟能看到湛蓝、深邃的天空；而没有反光的湖水，竟然可以是水晶般地清澈和迷人。同样的道理，在大晴天驾车行驶时，由于光滑物体反光以及空气分子对太阳光的散射，驾驶员眼前可能出现白茫茫的一片亮光。所以，为了保证车辆的行驶安全，驾驶员在这种情况下一般都会选择带上专门屏蔽线偏振光的偏光墨镜。

图11.14　实物在人眼中产生立体效果的原理

图11.15　光的偏振在3D电影中的应用原理

我们还可以利用光的偏振原理来制作和观看立体电影，也就是3D 电影。其实，人眼对物体所产生的立体效果，源自两只眼睛看物体时的视角差。如图11.14所示，人的左眼和右眼之间有一定的距离，一般是6厘米，所以我们在看某个物体时，就会由于左、右眼的不同视角，而导致每只眼睛看到的物体图像略有视角差，当左、右眼有视角差的图像同时叠加在大脑中时，就会产生生动的立体感。有时，我们在网上能看到一些快速抖动的图片会带给我们奇特的立体效果（请参见本书配套慕课视频），就是因为这幅图片是在左眼和右眼视角图像间快速变化，把具有视角差的图像同时叠加在我们的大脑里，从而产生了短暂的立体效果。类似地，之所以有立体声的效果，就是因为有两个音箱；而人之所以能“听音辨位”，也是因为有两只耳朵。根据这样的原理，3D电影在拍摄时一般采用两个镜头，分别模拟人的左眼和右眼，从两个不同的视角同时拍摄物体。而在放映时，如图11.15 所示，通过两个放映机把略有视角差的图像重叠放映到屏幕上。这时，如果我们用裸眼直接观看电影，每只眼睛都会同时看到左、右眼的视角图像，这会让人感觉模糊不清，也就是3D重影。此时，想要看到清晰的3D 影像，我们需要让每只眼睛只能看到一个视角的图像。因此我们还需要在两台放映机前分别放置偏振方向相互垂直的偏振片，首先将图像变为偏振方向刚好相互垂直的线偏振光。然后，再让观众戴上一副特制的偏振眼镜（3D 眼镜）。左镜片将只允许左放映机的线偏振图像通过，而右镜片只允许右放映机的线偏振图像通过，这会让左、右视角的图像分别通过左、右眼同时重叠在人的大脑中，从而让人产生一种身临其境的立体效果。