【原】偏振光干涉

我们先看一个机械波的实验。沿着绳子传播的横波，在传播方向上遇到带有狭缝的木板时， 如果狭缝的方向与波的振动方向相同，波就能顺利的传过去;如果狭缝的方向与波的振动方向垂直， 波就不能通过了 (如图1)。这种现象叫做横波的偏振。 纵波是沿着传播方向振动的,不论狭缝方向如何，纵波都可以顺利通过(图2)，因而纵波不会产生偏振现象。

　　　　

图1　　　　　　　　　　　　　　　图2

光波是电磁波。因此，光波中含有电场强度矢量和磁感应强度矢量。和都与传播速度

垂直。因此，光波是横波（图3）。实际上，产生感光作用和生理作用的，只是光波中的电场强度矢量，所以在讨论光波时，只需考虑的变化。称为光失量，的变化称为光震动。

图3

在偏振光的研究中，常要用到的仪器是偏振镜。通过一个偏振镜去观察阳光或灯光时，可以看到它是透明的。以入射光线为轴旋转偏振镜，透射光的强度并不发生变化（图4）。

图4

再取一个同样的偏振镜，把它放在第一个偏振镜的后边，通过它去观察从第一个偏振镜透射过来的光，就会发现，从第二个偏振镜透射过来的光的强度与两个偏振镜的相对方向有关。把第一个偏振镜固定，以入射光线为轴旋转第二个偏振镜时，从后面透射过来的光的强度将发生周期性的变化，后一镜片转到某一位置时，透射光最强（图5a）。再转过90度，透射光最弱，几乎看不到了（图5b）。

图5

太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上，沿一切方向振动的光。这种光叫自然光。自然光通过第一个偏振片（叫做起偏器）时，只有某一震动方向的光波能够通过。这种振动方向只限于某一确定平面内的光叫做平面偏振光（也称“线偏振光”），每个偏振镜都有一个特殊的方向，允许与这个方向相同的偏振光通过。这个方向可以用一条直线表示，叫做偏振镜的“光轴”。自然光通过起偏器后，虽然变成了偏振光，但由于自然光中沿各个方向振动的光波强度都相同，所以不论镜片转到什么方向，都会有相同强度的光透射过来。再通过第二个偏振镜（叫做“检偏器”）去观察，情况就不同了。不论旋转哪个镜片，只有两个镜片的光轴相互平行时透射光最强，而当他们的光轴互相垂直时，通过第一个镜片的偏振光被第二个镜片“挡住”，这时透射光最弱。

图6 

在光学中，平面偏振光常用图6表示，其中（a）表示光矢量垂直于图面的平面偏振光，（b）表示光矢量在图面内的平面偏振光。两束平面偏振光的干涉条件是：频率相同，相位差恒定，而且他们的振动方向必须沿着（至少是近似地沿着）同一方向。

当一束光射到各向同性的介质（如玻璃，水等）中时，在界面处将发生折射。折射光偏离原来的传播方向，但仍为一束光。但是，当光射到各向异性的介质（如方解石）中时，折射光将分成两束。他们沿不同的方向传播，从晶体透射出来时，由于晶体前后两个表面互相平行，这两束光的传播方向都与入射光平行。如果入射光束足够细，晶体足够厚，则透射出来的两束光可以完全分开（图7）。通过这种晶体，用眼睛观察一个发光点时，能同时看到两个像点。如果在白纸上涂上黑点，通过方解石来观察它，可以看到两个黑点。一束入射光折射后分成两束光的现象，称为“双折射”。

当平行光束垂直于方解石表面入射时。一束折射光O仍沿原方向在晶体内传播，这束光遵从折射定律，称为“寻常光”（或O光）；另一束折射光e在晶体内偏离原来的方向，这时入射角i₁=0，而折射角i₂≠0，因此这束光不再遵守折射定律，称为非常光（或e光）（图7）。

图7

在一般情况下，非常光也不在入射线和法线决定的平面内。实验表明，在多数情况下，寻常光和非常光的振动方向可以近似认为是互相垂直的（图8），它们都是平面偏振光。

图8

在晶体内有一个特殊的方向，光沿着这个方向传播时，和在各向同性介质中一样不发生双折射。这说明两束光在这个方向有相同的折射率。这个方向称为晶体的光轴。除光轴方向外，在其他方向上，同一晶体对寻常光的折射率n₀与对非常光折射率n_e是不相等的，并且寻常光的振动方向与光轴垂直，非常光的振动方向与光轴平行。

使一束平面偏振光垂直入射到一块光轴与晶体表面平行的晶体上（图9），其振动方向BB’与晶体光轴OO’之间有一夹角θ。

图9

寻常光与非常光，透过晶体之后相位差△φ为

　                 ⑴

⑴式中λ为光在真空中的波长，n₀、n_e分别为晶体对寻常光和非常光的折射率，l 为晶片的厚度。当入射光和晶体都确定后，寻常光和非常光的相位差△φ只与晶片的厚度有关。

在两个光轴彼此平行的偏振镜之间放一块晶体，使晶体的光轴（用p表示）与偏振镜的光轴成一角度θ，在第一个偏振镜（光轴用N₁表示）前用自然光照射,在第二个偏振镜(光轴用N₂表示)后观察（图8）。会发现透射光出现了颜色。这是由于透过起偏镜的偏振光中，各种波长的色光，虽然振动方向相同，强度相同，但λ、n₀、n_e不同，因此通过偏振片后，每种色光的o光和e光相位差都不同，到达检偏镜时形成的干涉条件也不同，结果造成有的色光因干涉而被加强，有的色光则因干涉而被削弱。从检偏镜透出来的所有色光混合在一起，已无法合成自然光而呈现某种彩色。

图10

从上述分析可以看出，当晶体厚度不变时，不同频率的平面偏振色光通过晶体后，o光和e光的相位差是不同的，这些色光在通过检偏镜时，干涉的结果不同，有的被加强，有的则被削弱，检偏镜旋转时，改变了干涉条件，原来加强的色光将被削弱，原来削弱的色光将被加强，检偏镜光轴从原来的位置转过90度时，原来最强的色光将消失，原来看不到的色光将变为最强。

如果把单色光改为自然光，从起偏镜N₁透射出来的偏振光中，将包含各种波长的色光，它们经过晶体后都将分为两束，每种色光的o光和e光相位差△φ都不相同，因而从检偏镜N₂透射出来时,光强度也各不相同。这些色光合成某种颜色，其中某一种色光最强（例如蓝色），另一种色光消失（例如黄色），这相当于从自然光中去掉了一种色光（黄色）。当N₂旋转90度时，原来最强的色光（蓝色）消失，原来消失的色光（黄色）变为最强。这相当于从自然光中去掉了原来最强的那种色光（蓝色）。可以想象如果把N₂在某一位置时透出的色光与消失的色光混合在一起就会合成自然光（亦称白光）。在光学中如果两种色光混合起来能得到白光，就把这两种色光称为互补色。因此N₂旋转九十度得到的色光与原来的色光一定是互补色。

如果晶体的厚度是不均匀的，那么同一种光透过晶体后，在不同位置，o光和e光的相位差不同，再通过N₂后，各处光强分布也将是不均匀的。白光通过厚度不均匀的晶体，在N2后边的屏幕上，不同位置将出现不同的色彩。

图11

中国科技馆有一个叫做《偏振光干涉》的展品，就是根据上述原理制成的。它的主要结构如图11所示，放在透镜焦点上的光源发出的自然光经过透镜后形成一束平行光，透过起偏镜后变为平面偏振光照在晶片上，晶片上各处厚度不同，组成一个图案。在晶片后边有一个检偏镜，由电机b控制，可以间歇转动，每次转90度。检偏镜后有一个放映镜头，把光投射到屏幕上。观众可在屏幕上看到一个彩色图案。当检偏镜旋转时，图案各部分色彩不断变化。检偏镜转过90度时，色彩图案的每一部分都变成了自己的补色。大圆盘上共有六块晶片，每一片上各有一个不同的图案，大圆盘由电机a通过间歇传动机构控制，每隔一定时间改换一块晶片，屏幕上的图案也随之改变。

展品《偏振光干涉》

这个展品是中国科技馆一期开馆时展出的。展品要求环境足够黑暗。可以看出，当时的展示环境很亮，很不适合这个展品（旁边几个光学展品也有同样问题）。

【作者】中国科技馆刘锡印