反射光的偏振性

生活科學趣談

相信有不少朋友曾在雨夜開車時,被對方車燈經由路面反射的強光干擾過(或是釣魚時來自水面上的反射炫光)。由於上則影片都是在鋪梗^^,節目最後也僅提及發自液晶螢幕的光線是偏振光,並未針對偏光太陽眼鏡為何能消除反射光提出解釋,先來做個實驗:

手中拿的是一塊取自手機的偏振片,畫面中央的亮區則是來自上方燈泡照射到塗嬰兒油的木門所產生之反射光(反射角經測量約為55°),請留意木門上那一條淡黃色矩形的亮度變化。旋轉偏振片時,在某個角度幾乎可以完全消除來自天花板頂燈的反射光,但此時淡黃色那一條矩形仍然清晰可見,這是因為它同時也被來自牆壁的漫射光所照亮,所以利用偏振片並無法消除漫射光(OS:若能消除那麼開車就變成盲駕了^^)。在瞭解為何反射光會產生偏振的特性之前,不妨先來回顧高中物理常考的一個題目:
已知水的折射率 4/3,當光線從空氣射向水中時,若反射線與折射線恰好垂直,求此時的入射角=?

Sol:依折射定律 n1sinθ1 = n2sinθ2 ⇒ 1×sinθB = (4/3)×sin r ⇒ 1×sinθB = (4/3)×sin(90°-θB) ⇒ 1×sinθB = (4/3)×cosθB ⇒ tanθ= 4/3 ⇒ θ= tan-1(4/3) = 53°

這個角度稱為布魯斯特角(Brewster’s angle),也就是當入射光是以這個特定角度入射時,反射光就會是單一方向的完全偏振光(線偏振光),此時電場向量垂直於入射平面(入射線與法線所構成的平面),因此就能藉由配戴穿透軸是鉛直方向的偏光眼鏡來完全消除這種反射光(註:公式推導請參考→布魯斯特定律的理論解釋)。至於入射光不以這個角度入射時,由於反射光仍具有部分偏振(亦即含有完全偏振光和自然光的疊加),因此配戴這種偏光眼鏡仍然可以消除其中的偏振光。

偏振片是由高分子化合物聚乙烯醇(PVA)的薄膜作為基片,再浸染於碘溶液使碘離子擴散滲入內層的 PVA 中,並經硼酸水溶液還原穩定後,將其單向拉伸4~5倍然後烘乾而成。高分子材料於是從無規則性分布被拉成線狀結構,而吸附於薄膜上的碘離子就能整齊地被定向排列而具有強烈的二向色性,平行於分子方向上之入射光電場可使電子交替振盪,電磁波能量即能被吸收轉為電荷的振動動能。因此長分子方向是消光軸,垂直於長分子的方向則因不導電而成為透射軸,利用此特性即可做為起偏器或檢偏器,這種偏振片的偏振度可達0.995。在深受小朋友喜愛的偏光畫活動中,最困難的地方在於偏振片的取得,除了購買一途尚有不需花錢的方法。比如我們看液晶螢幕時,離我們最近的那層表面就是偏振片,因此可到學校設備組或網管中心取得報廢的液晶螢幕。將其拆開後取出液晶板,小心撕下貼在表面的膜片,最後再以橡皮擦擦除其表面的油性不乾膠即成

在照相時若配合使用偏振鏡,即可減少經由玻璃、水面或者其他非金屬反射來的太陽光,而且還能增加色彩鮮豔度

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最後來聊一段物理史,一位早在16歲時就已熟悉 瑞利散射定律 的年輕人,在航行於地中海的客輪上對海水的深藍色著了迷,決定要追究海水顏色的來源。他注意到瑞利的一段話值得商榷,因為瑞利曾說:「深海的藍色並不是海水的顏色,這只不過是天空藍色被海水反射所致」,於是這位年輕人在啟程去英國時,行李中特別準備了 尼科爾稜鏡 、望遠鏡與光柵等實驗器材。他將望遠鏡的物鏡與目鏡端各裝上尼科爾稜鏡來當作起偏器和檢偏器,然後觀察沿著布魯斯特角從海面反射來的光線。由於其中已經消去來自天空的藍光,這樣看到的光應該就是海水本身的顏色,但他竟然觀察到比天空還深的藍色。他隨即又用光柵分析了海水的顏色,發現海水光譜中的最大值比天空光譜的最大值更偏藍,由此可知海水的顏色並非是反射天空的顏色,而是海水本身的一種性質,他認為這一定是起因於水分子對光的散射所造成,這位年輕人就是提出 拉曼散射 並於1930年獲得諾貝爾物理學獎的 錢德拉塞卡拉·拉曼(Sir Chandrasekhara Raman)。

延伸閱讀

拿掉偏振片的防窺手機(影片2’10″處)