光的偏振现象有很多应用。例如,摄影师在拍摄池中的游鱼、玻璃橱窗里的陈列物时,由于水面和玻璃表面的反射光的干扰,景象会不清楚。如果在照相机镜头前装一片偏振滤光片,转动滤光片,让它的透振方向与水面和玻璃表面的反射光的偏振方向垂直,就可以减弱反射光而使水下和玻璃后的景象清晰(图 4.6-6)
将一个偏振片放于眼睛的前方,观察通过窗户进入室内的自然光。转动偏振片,你感觉到的明暗有没有明显的变化?
再透过偏振片观察玻璃表面、光滑桌面反射来的自然光,同时转动偏振片。你感觉到的明暗有没有明显的变化?玻璃表面、光滑桌面反射的光是偏振光吗?
透过偏振片观察手机等液晶屏幕上的字,你有什么发现?
激光的特点及其应用
光是从物质的原子中发射出来的。原子获得能量以后处于不稳定状态,它会以光的形式把能量发射出去。但是,普通的光源,例如白炽灯,灯丝中某个原子在什么时刻发光、在哪个方向偏振,完全是随机的,发出的光传播方向各异,频率也不一定相同,这导致不同原子发出的光没有确定的相位差。因此,普通光源发出的自然光是许多频率、相位、偏振以及传播方向各不相同的光的杂乱无章的混合。这导致两个独立的普通光源发出的光不会发生干涉。
那么,能否制造出频率、相位、偏振以及传播方向等性质都十分确定的“纯净”的光呢?
1960年,美国物理学家梅曼率先在实验室中制造出了传播方向、偏振、相位等性质完全相同的光波,这就是激光(laser)。迄今为止,人类已经制造了各种类型的激光器,比如气体激光器、半导体激光器、染料激光器、宝石激光器,等等。
激光的诞生是一件大事。它使得人类获得了极其理想的、自然界中不存在的光源。激光纯净的特性能在实际应用中带来很多方便。例如,我们前面讲过的双缝干涉实验和衍射实验,用激光要比用自然光更容易完成。因此,激光被广泛地应用于生产生活和科学研究中。激光能像无线电波那样被调制,用来传递信息。光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物。今天,每时每刻都有无数激光信号承载着海量的信息在海底光缆中传输。借助它们,大洋两岸的人们可以实现廉价的实时通信,全
世界被连接成一个整体。激光的另一个特点是它的平行度非常好,在传播很远的距离后仍能保持一定的强度。激光的这个特点使它可以用来进行精确的测距。对准目标发出一个极短的激光脉冲,测量发射脉冲与收到反射回波的时间间隔,就可以求出目标的距离。利用激光测量地球到月亮的距离(大约为38 万千米),准确度可以达到厘米级别(图 4.6-7)。
现在,廉价的激光测距装置已经被应用到房屋装修等日常生活中。此外,人们还可以利用激光束等各种实用的指向设备,为枪械、火炮、导弹等武器提供目标指引。
激光的亮度很高,也就是说,它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上,可以使物体的被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温,最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化了。因此,可以利用激光束来切割、焊接以及在很硬的材料上打孔。医学上可以用激光做“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤,还可以用激光“焊接”剥落的视网膜。
此外,激光还是科学研究的有力工具。例如,以激光为光源,科学家们可以深入研究原子、分子和固体材料的光谱,从而了解这些物质的结构;利用激光,可以研究分子的运动和化学反应的过程;利用激光制作的高精度光钟,可以实现对频率和时间的超高精度测量,这是人类能完成的最准确的测量之一。
激光的用途还有很多。人们现在还在努力实现更多种类的激光,比如,频率远高于可见光、与 X 射线接近的超高频率激光(图 4.6-8)。
它们也将成为生产和科研的有力工具。
立体电影和偏振光
观看立体电影(3D 电影)时,观众戴的眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。
这要从人眼看物的立体感说起。人的两只眼睛同时观察物体,不但能扩大视野,而且能判断物体的远近,产生立体感。这是由于人的两只眼睛同时观察一个物体时,两眼看到的两个像并不完全相同,左眼看到物体的左侧面较多,右眼看到物体的右侧面较多,这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近,从而产生立体感。
拍摄立体电影时,可以用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同步拍摄景物的像,制成电影胶片。放映时通过两台放映机,同步放映两组胶片,使略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时
如果用眼睛直接观看,看到的画面好像是电视信号不好时出现的“重影”。
实际上,每架放映机前还要安装一块偏振片,两架放映机射出的光,通过偏振片后成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的透振方向互相垂直,因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。
这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众那里,偏振方向不变。观众用上述的偏振眼镜观看,每只眼睛只看到相应的偏振光图像,即左眼只看到左机映出的画面,右眼只看到右机映出的画面,这样就会像直接观看物体那样产生立体感(图 4.6-9)。
实际拍摄立体电影时只用一台摄影机,让它通过两个窗口(相当于人的双眼)交替拍摄,两套图像交替地印在同一条电影胶片上。放映时也是只用一台放映机,把两套图像交替地映在银幕上。为了实现这些功能还需要一套复杂的装置,但原理就是上面所说的那些。