顯微鏡基礎知識 - 偏振光（四）
資料來源：https://www.microscopyu.com/techniques/polarized-light/introduction-to-polarized-light
前幾篇偏光的電場向量皆在垂直於傳播方向的平面中振動，稱為線性偏振光（線偏光）；電場方向在空間和時間上隨機方向振動的光稱為非偏光；另外還有一種圓偏光，或稱為橢圓偏光，其特徵是電場向量以傳播方向為中心軸旋轉，如圖 1 所示，因此從傳播方向的軸向觀察時，可發現具有「旋轉方向」，並以手來定義，方法為將手握拳，伸出大拇指指向傳播方向，此時其他手指的方向即為旋轉方向，因此得到順時鐘旋轉稱為右手偏振，逆時鐘旋轉稱為左手偏振。當橢圓偏光的長短向量軸等長，則稱為圓偏光；另一個常發生的情形是，橢圓偏光的其中一軸的向量軸歸零，則只剩下另一軸在一個平面上振動，此時則由橢圓偏光轉變為線偏光。
橢圓偏振可用合成波與相位解釋，如圖 1 所示。合成的電場向量不會在單一平面內振動，而是圍繞光波傳播軸逐漸旋轉，掃出一條橢圓軌跡，當以一傾斜角度觀察光波時，該軌跡顯示為螺旋狀，而尋常光和非常光之間的相位差大小，決定了從傳播方向端部觀察光波時，電場向量掃描的是橢圓形還是圓形路徑。如果相位差是波長的 1/4 倍或 3/4 倍，則合成向量將呈現圓形螺旋，形成圓偏光；若相位差為波長的 1/2 倍或整數倍，則變成線偏振光；所有其他相位差則產生不同長短軸比例與方向的橢圓偏光。
有一類稱為消色器（compensator）或延遲板（retardation plate）的特殊材料，在改變橢圓偏光和圓偏光方面非常有用。當圓偏光垂直於材料的光學軸時，尋常光和非常光會沿著相同的軌跡前進，並依雙折射程度產生相位差。因為這對正交波疊加在一起，所以可將其視為具有相互垂直的電場向量分量的一個波，而垂直分量間存在微小的相位差。因此以此例而言，當兩個相位相等的向量分量，經雙折射產生相位差後，再於三維空間中重新組合時，所得波就由圓偏振變成橢圓偏振。
偏振最常見的實際應用之一是液晶顯示器（LCD），它被用於包括手錶、電腦屏幕、計時器、時鐘等設備中。這些顯示系統基於液晶分子與電場和偏振光波的相互作用。液晶相存在於一種被稱為膽固醇相的基態中，在這種相中，分子排列成層，每一層都略微扭曲以形成螺旋圖案（如圖 2 右下角的扭曲液晶分子所示）。由於液晶的特性，偏振光會沿液晶光軸前進，因此液晶每一層的微幅扭轉會使偏振光跟著被扭轉。根據此特性，如圖 2 所示可以設計將液晶層前後各設置一片線性偏光板，且兩片可通過的偏振態互相垂直，並透過操作電流來控制光通量。
以計算機的七段液晶數位顯示器為例（圖2），液晶相夾在兩塊玻璃板之間，這些玻璃板上配置七個分別獨立的電極，對應數字 8 中的每一條直線訊號，其中這些電極對光是透明的。當光從偏振器 1 入射，通過偏振器 1 的光是垂直偏振的，此時若沒有施加電流到玻璃板上的電極，液晶會對光進行「扭轉」90°（270°），由於能通過偏振器 2 的光必須是水平偏振，因此扭曲後能夠穿過偏振器 2，並且與偏振器 1 垂直；相反的，有施加電流的電極就不會扭轉光波，無法通過偏振器 2。通過偏振器 2 與否，則會決定顯示器上的七段的亮暗顯示。
偏振光的應用包括上面討論過的偏光太陽眼鏡，以及用於相機鏡頭的特殊偏光濾鏡。許多科學儀器都利用偏振光，無論是由雷測還是通過各種技術對發光和螢光光源進行偏振。偏光器有時用於室內和舞台照明，以減少眩光並產生更均勻的照明度；也可戴在眼鏡上，賦予 3D 電影顯著的深度感；交叉偏光器甚至用於太空服，以大幅降低太陽光進入太空人眼睛的可能性。
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