光的偏振，是理解光的干涉，衍射的基礎內容

導讀：以下章節為靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》第8章光的偏振。了解光的偏振現象，是理解干涉，衍射的前提。 拉斯穆·巴多林是第一個發現偏振現象的人，馬呂斯對於偏振現象做出諸多貢獻，後人尊稱他為「偏振之父」。

1、光的偏振

不要把生活想的絢麗多彩，要把生活想的自然而然。因為沒有時時刻刻的絢麗多彩，就像你不會每天都站在領獎台上一一樣。

文字是這個世界最偉大的發明，書籍是我們進步的階梯。我用文字來點綴生活，來記錄時間。今天我們一起來看看，什麼叫光的偏振。

基本定義是這樣：光波電矢量振動的空間分布對於光的傳播方向失去對稱性的現象叫做光的偏振。

只有橫波才能產生偏振現象，故光的偏振是光的波動性的又一例證。在垂直於傳播方向的平面內，包含一切可能方向的橫振動，且平均【從統計角度來將】說來任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動對稱於傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動失去這種對稱性的光統稱偏振光。

如果大家覺得不好理解，可以先理解偏振的概念，然後在理解光的偏振。

偏振指的是波動能夠朝著不同方向振蕩的性質。電磁波、引力波都會展示出偏振現象。一般傳播於氣體或液體的聲波不會展示出偏振現象，因為聲波只會朝著傳播方向振蕩。

電磁波的電場與磁場彼此相互垂直。按照常規，電磁波的偏振方向指的是電場的偏振方向。在自由空間里，電磁波是以橫波方式傳播，即電場與磁場又都垂直於電磁波的傳播方向。理論而言，只要垂直於傳播方向的方向，振蕩的電場可以呈任意方向。

假若電場的振蕩只朝著單獨一個方向，則稱此為「線偏振」或「平面偏振」；假若電場的振蕩方向是以電磁波的波頻率進行旋轉動作，並且電場矢量的矢端隨著時間流意勾繪出圓型，則稱此為「圓偏振」；假若勾繪出橢圓型，則稱此為「橢圓偏振」。對於這兩個案例，又可按照在任意位置朝著源頭望去，電場隨時間流易而旋轉的順時針方向、逆時針方向，將圓偏振細分為「右旋圓偏振」、「左旋圓偏振」，將橢圓偏振細分為「右旋橢圓偏振」、「左旋橢圓偏振」；這性質稱為手征性。如下圖

【注意看基底的投射，分別是線，正圓，橢圓。以此來劃分偏振形態的。】

上面的論述，其實說明了偏振的本質是描述了波在空間中的電場強度變化，是空間及時間的函數。

在涉及到橫波傳播的科學領域，例如光學、地震學、無線電學、微波學等等，偏振是很重要的參數。激光、光纖通信、無線通信、雷達等等應用科技，都需要完善處理偏振問題。

那麼誰是第一個發現光偏振現象的人呢？ 大家早已忘記，我們來認識一下吧。

他是丹麥科學家拉斯穆·巴多林，他於1669年發現了光束通過冰洲石時會出現雙折射現象，假設照射光束於冰洲石，則這光束會被折射為兩道光束，一道光束遵守普通的折射定律，稱為「尋常光」，另外一道光束不遵守普通的折射定律，稱為「非常光」。

巴多林無法解釋這現象的物理機制。後來，克里斯蒂安·惠更斯注意到這奇特現象，他在1690年著作《光論》的後半部里，對這現象有很詳細的論述。

他認為，由於空間可能存在有兩種不同物質，所以才會出現兩道光束，它們分別對應於兩個不同的波前以不同的速度傳播於空間，所以，這不是很不平常的現象，但是，惠更斯又發現，這兩道光束與原本光束的性質大不相同，將其中任何一道光束照射於第二塊冰洲石，則折射出來的兩道光束，其輻照度會因為繞著光束軸旋轉冰洲石而改變，有時候甚至只會剩成一道光束。惠更斯猜想光波是縱波，他想出的簡單波動理論不能對這現象給出解釋。

【兩束光變為一束光是入射角度導致的，有一個特殊的入射角度。這是我們後來知道的。】

而艾薩克·牛頓猜測，雙折射現象意味著組成光束的粒子具有側面（垂直於移動方向）性質。

1808年，法蘭西學術院提議，1810年物理獎比賽的題目為「對於雙折射給出數學理論，並且做實驗證實」。艾蒂安-路易·馬呂斯決定參與競爭。他做實驗觀察，日光照射於盧森堡宮的玻璃窗，然後被玻璃反射出來的光束，假若入射角度達到某特定數值，則這反射光與惠更斯觀察到的折射光具有類似的性質，他稱這性質為「偏振」性質。

他猜想，組成光束的每一道光線都具有某種特別的不對稱性；當這些光線具有相同的不對稱性時，則光束具有偏振性；當這些光線的不對稱性分別概率地指向不同方向時，則光束具有非偏振性；當在這兩種案例之間時，則光束具有部分偏振性。

不單是玻璃，任何透明的固體或液體都會產生這種現象。他又從實驗結果推論出馬呂斯定律，定量地給出偏振光通過檢偏器後的輻照度，考慮到偏振方向與檢偏器傳輸軸方向之間的夾角角度。這實驗極具創意，又得到了很豐碩的重要成果，馬呂斯因此榮獲1810年的物理獎。馬呂斯對於偏振現象做出諸多貢獻，後人尊稱他為「偏振之父」。

後來，奧古斯丁·菲涅耳與弗朗索瓦·阿拉戈合作研究偏振對於楊氏干涉實驗的影響，他們認為光波是縱波，呈縱向震蕩，但是這縱波的概念無法合理的解釋實驗結果。阿拉戈告訴托馬斯·楊這問題，托馬斯·楊大膽建議，假若光波是橫波，呈橫向震蕩，則光波可以分解為兩個相互垂直的分量，或許這樣做可以對實驗結果給出解釋。果真，這建議清除了很多疑點。【這個其實在上一章有提到過。】

1817年，菲涅耳與阿拉戈將實驗結果定性總結為菲涅耳-阿拉戈定律，表述處於不同偏振態的光束彼此之間的干涉性質。之後，菲涅耳試圖進一步定量表述這實驗，他發展出的波動理論是一種振幅表述，主要是用光波的振幅與相位來作分析；振幅表述能夠定量地解釋偏振光的物理性質；但非偏振光或部分偏振光不具有穩定的振幅與相位，無法用振幅表述給予解釋。

【圖中E是電場，B是磁場，K的方向為光的傳播方向。】

大家要清楚的知道，這個時候偉大的電磁學集大成者麥克斯韋還沒有出生呢。所以菲涅爾的理論並沒有探觸到光的本質，也不會認識到光是電磁波。他是從現象開始著手研究的，需要非常好的想像力。

1852年，喬治·斯托克斯提出一種強度表述，能夠描述偏振光、非偏振光與部分偏振光的物理行為；只需要使用四個參數，後來稱為斯托克斯參數就可以描述任何光束的偏振態，更重要地，這四個參數可以直接測量獲得。

那時，電磁學理論雜亂無章，詹姆斯·麥克斯韋將這些理論加以整合，於1865年提出麥克斯韋方程組。從這方程組，他推導出電磁波方程，推論出光波是一種電磁波，可以用麥克斯韋方程組作精確描述。

菲涅耳的波動理論是建立於一些貌似合理的假定，由於能夠正確描述光波的一些物理行為，例如，傳播、衍射、偏振等等，符合實驗得到的結果，所以才被學術界接受。

從麥克斯韋方程組可以嚴格地推導出菲涅耳的波動理論，給予這理論堅實穩固的基礎。

大多數光源屬於非偏振光源，例如，太陽、白熾燈等等，因為它們所發射出的光波是由一組不同空間特徵、頻率（波長）、相位、偏振的光波隨機混合所組成。

為了了解光波的偏振性質，最簡單的方法就是先只思考單色平面波，這種波是具有特定傳播方向、頻率、相位、振蕩方向的正弦波。從研究平面波光學系統的性質與行為，可以對於一般案例給出預測，這是因為任何特定空間結構的光波都可以分解為一組不同頻率、不同振幅的平面波，稱為其角譜。

日常可見光的大多數光源，包括黑體輻射、螢光，太陽光等，會發射出不相干光波。在這些光源物質里，處於激發態的原子或分子會獨立、毫無關聯地發射出這些隨機偏振的電磁輻射波列。每個波列持續大約10-8秒，所以，光波的偏振只能保持不變不超過10-8秒。這種光波稱為「非偏振光」。

這術語所傳達出的意思並不精準，因為在任意時刻、任意位置，電場與磁場的方向都很明確，這術語所要傳達出的意思為，偏振隨時間流易而改變的速度非常快，它不是無法被測量到，就是與實驗結果無關。最通俗的理解是偏振是普遍存在的。

偏振光在通過消偏器之後，由於透射光的偏振隨時間流易而改變的速率非常快，實際而言，可以忽略透射光在任意時刻的偏振，因此將透射光歸類為「非偏振光」。

上面有提到聲波沒有偏振現象，現在問大家，為什麼沒有？像聲波一類的縱波，振蕩方向按照定義是沿著傳播方向，所以，偏振這論題通常不會被提出。

但另一方面來說，在大塊固體傳播的聲波也可能是橫波，也可能是縱波，總共有三個偏振分量。對於這案例，橫偏振伴隨剪應力的方向，位移方向垂直於傳播方向；縱偏振描述固體的壓縮與振蕩沿著傳播方向。在地震學裡，橫偏振與縱偏振之間的傳播差別是很重要的參數。

因為本章的內容，比較抽象，需要很好的想像，不知道大家理解了沒有？ 最後再給大家做一個通俗的解釋。

可以這樣說，只要是橫波，就存在偏振。為什麼呢？振動方向對於傳播方向的不對稱性叫做偏振。這也是橫波區別於其他縱波的一個最明顯的標誌，只有橫波才有偏振現象。

而光波是電磁波，因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向。光波中的電振動矢量E和磁振動矢量H都與傳播速度v垂直，因此光波是橫波，它具有偏振性。具有偏振性的光則稱為偏振光。

很多迷糊應該會是迷糊為什麼自然光不是偏振光。通常，光源發出的光波，其光波矢量的振動在垂直於光的傳播方向上作無規則取向，但統計平均來說，在空間所有可能的方向上，光波矢量的分布可看作是機會均等的，它們的總和與光的傳播方向是對稱的，即光矢量具有軸對稱性、均勻分布、各方向振動的振幅相同，這種光就稱為自然光。

但自然光肯定也是電磁波，是橫波，所以是具有偏振的。為什麼沒有把它稱為偏振光，主要觀點就是上面從統計角度所說的原因，還有一個原因上面也提到了。就是日常的大多數光源，包括黑體輻射、螢光，太陽光等，會發射出不相干光波。在這些光源物質里，處於激發態的原子或分子會獨立、毫無關聯地發射出這些隨機偏振的電磁輻射波列。每個波列持續大約10-8秒，所以，光波的偏振只能保持不變不超過10-8秒。對於人類來說，這是非常非常短暫的。所以這種光波稱為「非偏振光」。

這個現象我們在講光的干涉，光的衍射的時候，就講了。這樣講大家應該就可以理解了。

摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者量子力學書籍《見微知著》

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