(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。
（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。
（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。
（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）。
（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。
（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
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