2013年2月4日

科學玩具-光學-偏振中的雙折射與光彈性


有些偏振的運用在生活中處處可見,像是相機的濾光鏡就有偏振的效果,可消除反射自水面的水平偏振光,讓照片可以呈現深處景像。或是你會納悶為什麼攝影網站上總會有達人作品的顏色總是那麼飽和?這也是因為由空氣分子散射形成的偏振光被濾鏡消除所致,因為只有直射的光可以穿透鏡頭,所以別人風景照片上的藍天永遠比你的藍上許多。

液晶顯示器所利用的也是偏振光的特性,並在兩片偏振片之間插入液晶板。當兩片偏振片的偏振方向互相垂直時,光是不能通過的。液晶是由一些針狀分子組成的。平時這些分子零零散散的朝向各種方向,雜亂的分子不能使偏振光通過偏振片。不過若是施加電壓,它們就會排列整齊。

但是,加上電壓之後的分子就像接受校閱的軍隊般排列整齊,使得偏振光的方向產生旋轉(旋光性),因此可以通過檔在前方的偏振片。只有施加電壓的部分液晶可以使偏振光通過,所以能利用這種特性來顯示對比的圖形或明暗的文字。

透過轉動的偏振片觀看液晶螢幕,螢幕會忽明忽暗,文字也忽隱忽現。如果要找液晶,翻出家裡的電子錶或計算機,就可以拿其中的液晶螢幕來做實驗,當然前提是要有電。不過有種不用電的,就是蜜蜂等昆蟲的眼睛,牠們的每一個小複眼都具有偏振的性質,能辨識人眼所無法觀察到的偏振光,藉以在3D世界中辨識東西南北或太陽的方位而不致迷路。
原本可以透過偏振片觀察螢幕上的影像,代表螢幕的偏振軸和螢幕外的軸向一致
但是旋轉90度以後就變成漆黑一片,幾乎沒有光線可以穿透過來

除了上述偏振軸的試驗,也可以試試看光彈性photoelasticeffect)的相關實驗。把CD透明盒或PP材質的水果包裝盒放在兩片偏振片之間,就會發現盒子上出現了彩虹般的光帶。從PE塑膠袋上剪下一小片薄膜並放在兩片偏振片之間,邊觀察邊緩慢地拉緊PE膜,也可以看到彩虹般的色彩在拉伸的部分產生變化。
使用光碟盒來測試所謂的光彈性,可發現在製作過程中的應力分布不一定均勻

可以看到即使是同樣的物質,如果密度和厚度不同,偏振光偏轉的方向也會有微小的不同,使得夾在兩偏振片間的物體變成五彩繽紛。因為物質被拉伸或壓縮時,密度和厚度有微小的變化,只有某些顏色的光可以恰好通過,使我們看到不同的色彩。工業上利用這種現象,可以檢測透明物體受力的狀況。
像是公仔收納盒任何一面也可以測試光彈性
它的同一平面上應力分布較為平整,所以色帶的線條較為平行分布

如果你恰巧手邊有偏振片,更別忘了做有關雙折射Birefrigence)的實驗。在透明塑膠板上貼上一條玻璃紙製的膠帶(當然直接貼在偏振片上也可以),把它放在兩片偏振片的中間。固定其中一片偏振片,讓另一片慢慢地旋轉,會發現通過的光在膠帶貼住的地方與周圍明顯不同。
使用具有旋光性的膠帶製作出來的手機吊飾,各個部分會呈現不同的顏色
表示在不同層數的膠帶對於各種色光有不同程度的偏折,能穿透的色光也不同
大同國小退休何夏枝老師提供實品)

把兩條透明膠帶貼成十字形,再重複前面的實驗。沒有貼膠帶的地方、貼一層的地方和貼兩層的地方通過的光的色彩都不一樣。若是在透明塑膠板上四面八方地貼上膠帶形成米字形,再重複前面的觀察。就可以做出像彩色玻璃那樣的效果,細心的人可以貼出很多花樣來。

為什麼會染上顏色?如果單純只有兩片偏振軸垂直的偏光片,一定是漆黑一片。但是具有旋光性的膠帶介入時,情形就不一樣了。通過了膠帶的偏振光,可以穿透過沒有膠帶時一定不會透過的第二層偏振片。這是因為通過膠帶時,偏振光的偏振方向發生了扭轉。扭轉的角度與光的波長(成反比)、膠帶的厚度(成正比)有關。
如果將偏振片剪裁成蝴蝶狀,搭配上數層膠帶,就能形成讓人耳目一新的創意
底下的大吸管的用途不僅是支撐,也是使蝴蝶翅膀振動的機關
大同國小退休何夏枝老師提供實品) 

不同色光具有不同折射率(色散現象,折射率為頻率的函數),傳播速率也不同。假設偏轉之後的綠光能通過第二片偏振片,但紅光不能,我們在另一邊就只能看到綠光了。所以偏振片轉到不同的角度時,偏振軸方向也發生改變,對入射的白光來說,就會有不同顏色光通過!

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