本文由「Light科普坊」出品

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

審稿專家：高輝（華中科技大學(xué)）

作為上班族，駕車是我們常用的出行方式。白天，太陽光強(qiáng)烈，很多人會選擇用遮陽板去遮擋陽光，不僅弄來弄去很麻煩，還會擋住視線，但不擋又不行，長時間迎著陽光開車，容易出現(xiàn)各種眼部疾病，而強(qiáng)光使眼睛不適，造成危險駕駛。

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

于是，偏光太陽鏡就成為了駕車一族的更優(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)：在光線不足的情況下，比如晚上，尤其是在駕駛時，佩戴任何類型的太陽鏡都會使光線進(jìn)一步變?nèi)酰绊懸曇埃圆唤ㄗh晚上佩戴。

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

圖1（封面圖）：偏光太陽鏡
圖源：Light科普坊/VEER

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

一、偏光太陽鏡的核心結(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狀態(tài)，稱之為光的偏振態(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）、線偏振光（圖2b）、部分偏振光（圖2c）等。我們生活中常見的光源屬于自然光，例如太陽光、燈光等，發(fā)出光線的振動方向雜亂無章，宏觀看起來包含了沿所有方向的振動，經(jīng)由界面反射會轉(zhuǎn)換成線偏振光或部分偏振光。線偏振光振動方向通常都非常固定，只包含單一振動方向，部分偏振光則是介于自然光和線偏振光之間的光，不同方向上的振動強(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鏡發(fā)揮作用的具體過程了。

圖2：幾種常見的光振動分布（a）自然光；（b）線偏振光；（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似，我們可以利用機(jī)械波模擬光的偏振現(xiàn)象。偏光太陽鏡之所以能過濾眩光，是因?yàn)槠馓栫R只在某個特定的方向上對光吸收較少，光可以較多地通過（圖3a）；而其他方向的振動被吸收得較多，光通過得很少（圖3b）。這一性質(zhì)被稱作二向色性，具有二向色性的光學(xué)元器件被稱為偏振片，其中能透過光的振動方向稱為透振方向。

圖3：利用機(jī)械波模擬光的偏振現(xiàn)象（a）波的振動方向與狹縫平行；（b）波的振動方向與狹縫垂直
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、偏光太陽鏡阻擋眩光的原理

眩光往往是太陽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)。一般來說，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，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)變化等問題。

自然光可以表示成垂直于紙面和沿紙面的振動分布，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，沿紙面的振動分量（p分量）會變?nèi)酰虼俗匀还饩妥兂闪瞬糠制窆猓▓D4）。

圖4：自然光反射和折射后振動的分布。其中，圓點(diǎn)表示振動方向垂直于紙面，即 s分量，橙色線段表示振動方向沿紙面，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鏡是如何阻擋眩光的。

當(dāng)陽光照射在路面上發(fā)生反射時，反射光的光振動以s分量為主，即平行于路面振動分量較強(qiáng)，而垂直于路面振動分量較弱。要遮住反射光應(yīng)阻擋偏振方向平行于路面的光線。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被過濾掉，從而減弱眩光（圖5）。以上就是偏光太陽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、判斷偏光太陽鏡的效果

那么，如何判斷我們的太陽鏡是不是偏光太陽鏡呢？

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

圖6：自然光透過偏振片后振動的分布
圖源：王曉杰

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

圖7：光線分別通過透振方向平行和垂直兩偏振片時的透光情況（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。我們可以拿太陽鏡放在眼睛前方觀察液晶屏幕，同時轉(zhuǎn)動太陽鏡。如果能觀察到光線發(fā)生亮→暗→亮→暗的變化，那么這幅太陽鏡就是偏光太陽鏡（圖8）。嚴(yán)格來說光線最暗和最亮?xí)r太陽鏡的角度差是90°（圖7）。

圖8(gif)：借助LCD檢測偏光太陽鏡
圖源：王曉杰

進(jìn)一步地，我們還可以利用LCD判斷偏光太陽鏡的質(zhì)量。我們把最暗和最亮狀態(tài)下的光強(qiáng)比稱之為消光比。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，偏光太陽鏡中往往還會增加紫外線過濾層、吸收層等，可以在一定程度上阻隔有害的紫外光線，達(dá)到對人眼的有效保護(hù)。普通太陽眼鏡只具有減弱光強(qiáng)的作用，無法有效阻隔眩光等有害光線。

四、偏振片的其他應(yīng)用 ?2?

偏光鏡除了用作偏光太陽鏡以外，在生活中還有很多其他應(yīng)用。例如，對于攝影愛好者來說，偏光鏡是再熟悉不過的工具之一。拍攝水面或者玻璃房間內(nèi)的景物時，往往由于光線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，在鏡頭前面加一個偏光鏡阻擋反射光，能使人清楚地觀測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)想要觀測日食時，為了保護(hù)眼睛免于太陽光的傷害，使用雙層偏振片制成的眼鏡可以降低陽光的強(qiáng)度，這樣就可以進(jìn)行觀測了（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，我們平時觀看的3D電影，也是利用了光的偏振特性。拍攝3D電影時，需要用兩個攝影機(jī)同時拍下同一物體的兩個畫面，再分別對兩個畫面進(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）。觀看電影時，每個鏡片只允許偏振方向與其透振方向相同的畫面進(jìn)入人眼，兩只眼睛看到的畫面不同，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.

| 作者簡介 | 

王曉杰，南開大學(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。目前主持國家自然科學(xué)基金青年項目1項，教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目1項，作為第一作者/通訊作者在Applied Physics Letters等國內(nèi)外期刊發(fā)表論文多篇，以第一完成人授權(quán)國家專利3項，軟件著作3項。科普工作者，中國物理學(xué)會“蒲公英計劃”科普宣講專家、Light科普仿科普作者、南開大學(xué)物理科普基地科普宣講團(tuán)專家。曾獲天津市科普微視頻大賽一等獎等科普獎勵。

閱讀原文