← 探索新知
ASTERXOR / 探索新知

光里藏着的方向

转动滤片,场景虽然不动,透过的光却会变化。

三个圆形偏振片轮廓中分别画有零度、45度和90度的轴。
滤片轴向的几何示意,计算采用理想偏振片。
探索新知ASTERXOR / LEON LEUNG

两片看起来透明的薄片,为什么叠在一起会近乎不透光?

亮度和颜色是熟悉的光的性质。偏振带来另一项:电场振动的方向。一对理想偏振片,可以把这个看不见的方向变成亮度变化。再加第三片,结果更加意外,但前提是认真追踪每片滤片改变了什么。

滤片会改变到达下一片的光。
TRANSVERSE LIGHT

沿着传播方向之外的方向

光是电磁波。对于自由空间中的平面波,电场沿垂直于传播方向的方向振动。线偏振光的振动沿一个固定的横向方向进行。理想线偏振片的透射轴,选择与自身方向对齐的电场分量。

可以把它想象成把箭头投影到一条线上。线与箭头越偏离,保留的分量越小;垂直时,分量为零。但箭头表示的是电场幅度,而亮度计算使用光强。在这里的波动条件下,光强与幅度的平方成正比。

马吕斯定律曲线,以第一片后的光强为基准。
FIG 01马吕斯定律曲线,以第一片后的光强为基准。
MALUS’S LAW

平方决定曲线形状

马吕斯定律说,透射光强等于入射线偏振光强,乘以相对角度余弦的平方。两轴平行时,理想模型让全部输入通过;相差45度时,保留一半;相差90度时,理想计算结果为零。

图中所有输出,都以已经穿过第一片偏振片的光为基准。这个参照很重要。说45度检偏器透过一半,不代表最初非偏振光的一半必然到达终点。应用后续比例前,必须先单独计算第一片的影响。

交叉两片给出零;加入45度中间片,剩下原始非偏振输入的八分之一。
FIG 02交叉两片给出零;加入45度中间片,剩下原始非偏振输入的八分之一。
THE THIRD SHEET

多放一片,反而透出光

对于方向不断变化的非偏振光,理想第一片偏振片平均透过一半光强。把第二片放在90度,模型给出零。现在在两者之间插入一片轴向为45度的偏振片,三片组合的末端便出现光。

比例依次相乘:第一片剩一半,中间片再剩一半,最后一片又剩一半。最终为原始非偏振输入的八分之一,也就是12.5%。中间片吸收了一些光,同时为继续传播的光建立了新的偏振方向,因此改变了最后一片收到的输入。

电场幅度按余弦投影,光强使用其平方。
FIG 03电场幅度按余弦投影,光强使用其平方。
ENERGY ACCOUNTING

透得更多,不是创造能量

三片的结果听起来像是插入吸收器却创造了光,其实没有。比较的是两种不同的光路。在交叉的两片中,最后一片拒绝第一片的偏振方向;在三片组合中,到达最后一片的光方向不同,强度也已经减小。

计算中,每一级透过的强度都不超过该级入射强度,输出始终没有超过输入。这提醒我们,不能总把连续操作理解为各部件独立损失某个百分比,而不考虑前面的部件如何改变传递给后面的状态。

REAL OPTICS

真实滤片的边界没那么理想

真实偏振片可能吸收一部分本应通过的分量,也可能漏过一部分本应被挡住的分量。响应还可能随波长和入射角变化。散射、反射,以及场景原本已有的偏振,都可能让纸上简单的实验变复杂。

偏光太阳镜和摄影滤镜使用相关原理,但这个模型不预测具体产品的表现。液晶屏也可能输出偏振光,因此在屏幕前转动滤片,亮度可能剧烈变化。具体方向和效果取决于屏幕,并非所有显示器都服从同一个外观规律。

READ THE REFERENCE

数字要带着参照一起读

这个练习最有用的地方,是学会把每个比例对应到它的入射光。第一片后一半、下一片后四分之一、第三片后八分之一,是一个特定组合的各个阶段。换一种排列,必须重新核对轴向,不能直接搬用这些数字。

偏振让光束拥有了单看亮度计无法描述的结构。两束同样亮的光,可能因电场方向不同而对同一滤片产生不同响应。把这个隐藏状态考虑进去,多加一片的悖论,就变成普通的投影和光强变化。

继续阅读

OpenStax: Polarization ↗OpenStax: Electromagnetic waves ↗

原始资料与延伸阅读。

留一个想法带走

理解一片滤镜,有时要追踪它留下了什么状态,而不只看它挡掉多少。