阿凡達遊液晶境(Avatar in the Wonderland) (2)

(作者:袁維勵 老師 / 逢甲大學 化學工程學系)

上回貼文中分享了如何將得自台中國立自然科學博物館立體劇場之偏光鏡片作一些有趣的應用。這一回將說明偏光鏡的原理。首先,我們知道光(light)兼具粒子與波動的二元特性(durality),所以分別有光子(photons)與光波(light waves)兩種名稱。就光波來說,光是一種電磁波或輻射(electromagnetic waves or radiation),它的前進不需要介質(medium)的幫助,也就是說光可以在真空中前進(如太陽光穿越外太空)。與之相對的,水波需要水作為介質來傳遞、講話時的聲波則需要空氣作為介質來傳遞。光作為電磁波,不論它的頻率、週期、波長或能量為何,它前進的速度都一樣,也就是以光速前進(一般近似為3E8 m/s)。如下圖所示,電磁波由互相垂直的電場(E)與磁場(M)所組成,也藉由它們之交替振盪而前進。通常,由紅色所標示的電場之正弦波(sin(r, t))所在的平面稱為極化平面(plane of polarization)。此極化平面可以是直的、斜的或是橫的,因此極化平面各有不同的極化角度(angle of polarization,比如說90°、45°與0°)。

圖1

(電磁波幅射時,每一光子前進時所具有互相垂直、交替振盪的電場與磁場[註1])

3D眼鏡或偏光鏡的原理與光波的偏振(polarization of light)有關。稱為偏振光(polarized light),又分為平面偏振光(plane polarized light)與螺旋偏振光(cirlularly polarized light)。此現象與電磁波中的電場與材料的組成原子中的電子發生交互作用有關。如下圖所示,家用微波爐的窗口,都貼有一層屏蔽電磁波的布料,內含金屬或導電網格。當光子想要穿越網格時,光子中的電場會誘導網格中的電子上下或左右沿著導線移動(共振,resonance),從而將光子的能量轉移到電子,最終光子消失變成熱能而散失掉。也因此,電磁波或微波就無法穿透微波爐的窗口而傷害我們。

圖2

(電磁波幅射時,每一光子前進時所具有互相垂直、交替振盪的電場與磁場[註2])

如下圖所示,如果我們使用金屬柵欄(例如垂直的鋁線)而非金屬網格,當光子想要穿越柵欄時,光子中的電場會誘導網格中的電子上下沿著導線移動,從而將光子的能量轉移到電子再變成熱能。但是,此時並非所有的光子都能通過金屬柵欄,必須取決於光子的極化平面。當光子的極化平面(電場之振盪平面)為垂直或接近90°時,光子不能通過金屬柵欄,因為被垂直鋁線中的電子吸收掉了。反而,那些極化平面為水平或接近0°的光子,因為不被柵欄阻擋,得以穿越金屬柵欄,成為類似能夠穿透偏光鏡的可見光。

圖3

(金屬柵欄製成之偏光片[註3])

以上是3D眼鏡與偏光鏡的原理。下回將會介紹偏光鏡的一些有趣現象與應用。

參考資料

  1. 電磁波
  2. 電磁波屏蔽
  3. 偏光片原理示意圖

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