阿凡達遊液晶境(Avatar in the Wonderland)(3)

(作者:袁維勵 老師 / 逢甲大學 化學工程學系)

上回金屬柵欄對電磁波的部分屏蔽的效果,在這裡要點出的是,”極化”或”偏振”這兩個詞的英文都是polarization。前者著重在電子的一面,而後者則重在光子的一面。物質或分子其組成原子中的電子,若是受到外加電場的作用,它們的電子雲、軌域或化學鍵就會偏離原本的形狀、尺寸或位置,從而產生誘導偶極矩(induced dipole moment)、極性(polararity)或電荷分離(charge separation)的現象。這裡的外加電場,不一定非得來自光子,一般都來自某電源的兩個電極之間的電位差。如下圖所示之電容器,其中的介電材料就是可以藉由被極化而儲存電能的物質。

圖1

(陶瓷電容器[註1])

既然有偏振光,當然也就有未偏振光(unpolarized light)。未偏振光講的是一束光線中的一群光子,各有不同的極化平面或極化角度(比如說90°、45°或0°等)。當它們照射到某物質時,原子中的電子能隨著一部分具有特定極化角度的光子翩然起舞,進而”抹平”那些光子。其餘沒有”來電”的光子,則可以穿透該偏光物質而被稱為偏振光。如下圖所示,將一副3D眼鏡置於電腦液晶螢幕(liquid crystal display,LCD)的前方,將會看到一黑一白。黑色的鏡片表示液晶螢幕的光線被阻隔了,而白色(即透光)的鏡片表示液晶螢幕的白光穿透鏡片進入我們的眼睛。這現象表示從液晶螢幕發出來的白光已經是一種偏振光了,原來液晶螢幕中的液晶層確實由兩片偏光鏡所包夾。Fig.3-2

(3D眼鏡與液晶螢幕重疊)

如下圖所示,單一偏光鏡的極化角度若與液晶螢幕所發出的白光相同或接近,則吾人可以清楚看見螢幕上的文字。

Fig.3-3

(單一偏光鏡與液晶螢幕重疊,並旋轉至最佳透光度)

如下圖所示,若將第二枚偏光鏡以90°之偏光角差異,覆蓋住第一支偏光鏡,則吾人會如預期不再看見螢幕上的圖文(透光度為0)。

Fig.3-4

(兩只偏光鏡與液晶螢幕重疊,且偏光角差異為90°)

但是,如下圖所示,若將第三枚偏光鏡以45°之偏光角差異,插入第一支與第二支偏光鏡之間(光線通過的順序為偏光鏡1、3、2),則吾人會驚奇地發現,可以再次看見螢幕上的圖文。這是為什麼呢?原因是相鄰兩偏光鏡之偏光角差異越小,透光率越高,反之則越小。也就是說,偏光鏡1與偏光鏡3之偏光角差異為45°,透光度會比原本偏光鏡1與偏光鏡2所夾90°者(約為0)大很多(約為1/2)。這聽起來還算合乎邏輯。當光線繼續通過夾角為45°之偏光鏡3與偏光鏡2時,因為透光度也是1/2,所以總透光度會變成1/4。也就是說,多加一片偏光鏡,透光度反而會提升。這聽起來就有點不合邏輯。同時,原本偏光角為θ之入射光,當它通過3片偏光鏡時,偏光角變為”θ+90°”,相當於光子的極化平面被旋轉了90°。因此,偏光鏡具有”旋光”的效果。

Fig.3-5

(三枚偏光鏡堆疊,以液晶螢幕為光源,偏光角差異相鄰兩片為45°)

根據以上對偏光現象的觀察,我們可以提問,若是在第一支與第二支偏光鏡之間,再插入89片偏光鏡,每兩枚偏光鏡所夾之偏光角差異皆為1°,這疊起來的91片偏光鏡是否可以透光呢?答案是”可以”。因為,偏光角差異為1°,所以透光度幾乎不受影響,每兩片偏光鏡之間的穿透率接近100%(根據Malus定律,I = Io cos2θ = 1 * cos2(1) = 0.999695413509548),91片偏光鏡之穿透率約為97%(根據Malus定律,I = Io cos2θ = 1 * (cos2(1))90 = 0.972955473644847),能量損耗小於3%,幾乎是完全透明!此外,入射之極化光子的極化平面也總共被旋轉了90°。話雖如此,若實際將91片偏光鏡堆疊後,透光度其實會下降很多,因為堆得太厚了。每一片偏光鏡都會吸收掉一些光能,以至於總穿透率不如預期。若是該91枚偏光鏡堆疊起來的厚度能夠非常小,薄至微米級甚至奈米級,就OK了。下回將會介紹液晶螢幕的原理及其與偏光鏡的類比。

 

參考資料

  1. 陶瓷電容器

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