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你所没有意识到的偏振 精选

已有 9533 次阅读 2015-5-14 23:22 |系统分类:科普集锦

光是横波,所以有偏振。不过,相比波动(高中物理就会教)这个概念,偏振(大学物理的内容)这个概念不那么为人所熟悉。这点其实值得玩味,因为光的偏振比光的波动更容易发生。要证明光的波动性,人们得做衍射或者干涉实验。这往往是很困难的,至少我在大学的时候光学实验都没做出来过。相比之下,几乎所有的光学过程都可以对光起偏,也就是让非偏振光变得(部分或者完全的)偏振。具体而言,日常生活中处处可见的反射,折射,散射,统统可以让光起偏!

拿反射和折射来讲,当光经过空气与水的界面的时候,我们知道会发生反射和折射。这里的反射光和折射光便必然都是偏振的!当然,其偏振程度一般非完全。定量来看,在郭硕鸿的电动力学教材里,他详细推导了入射光的两个偏振分量各自的反射和折射系数。这两个分量的反射和折射系数分别都是不同的,所以即便入射光完全没有偏振(比如太阳光),经过反射和折射后,也会变得偏振。在这个过程中,存在一个极端或者说理想的情况,即当入射角为某个特定的值的时候,偏振方向在竖直平面内的那个偏振分量完全不反射。这个角叫做brewster角。在这个角度下,反射光100%地偏振,并且偏振方向与水面平行。所以,让光变得偏振,甚至是100%的偏振,是一件很容易的事情。

反射光存在偏振这个事实对搞摄影的很重要。下图来自wiki:


右边的照片是利用了偏振片的。经过偏振片,被窗户玻璃反射的强光被过滤掉了,这时才可以清楚地看到玻璃后的窗帘。

散射也可以起偏。我们头顶这片蓝天是太阳光被大气分子散射的结果,所以不同角度的天空存在不同程度的偏振,特别地,与太阳成90度的方向是100%线偏振的。这个事实对玩摄影的也很有用。对比下面两张图:


散射可以起偏这个事实曾经被barkla用来证明x射线本质是光,并因此获奖。1895年伦琴发现x射线后,全世界范围内掀起了x射线研究的热潮。不过,在很长一段时间里,人们搞不清楚这个神秘射线的本质。尽管人们普遍怀疑其本质就是光波,但是其很少表现出通常可见光表现出来的行为,比如反射,折射,衍射,干涉。这时候,barkla有一个非常聪明的想法。他注意到,x射线来自高速电子在金属板减速导致的刹车辐射。显然,在电子的初始运动方向,电子减速最厉害,所以如果在垂直方向观测的话,接收到的x射线应该是线偏振的,而且偏振方向平行于电子初始运动方向。现在,让这束线偏振的x射线打到某种样品上,通过散射过程产生二级x射线。重要的是,这个二级x射线的强度在不同方向是不同的,在平行于主x射线偏振方向上强度为零,在垂直方向强大最大。

Barkla的实验在杨福家的原子物理教材上有介绍。不过,杨的教材上的实验并非Barkla的原始方案。在杨的教材上介绍的是双散射方案。完全偏振的x射线并非直接来自金属靶,而是经过第一个散射体后的产物。这个方案更能体现散射过程的起偏作用。


既然反射,折射,散射都能起偏,那么为什么我们人类从来没察觉到这些事实?问题在人眼。人眼不明原因地不具备检偏的功能。其实检偏并不难啊,也许只需要相应的分子或者器官是棍子状就行。但是很多昆虫的眼是可以检偏的。比如蜜蜂就能够察觉天空的偏振,并以此导航。发现这一点的von Frisch也得了奖。


后记:写这个博文是因为最近在玩几个激光笔。笔者曾试图用barkla的办法检验激光笔输出的是线偏振的光,结果失败了。基于brewster角的方案也失败了。具体原因不明。有兴趣的可以尝试下。这是个厨房实验,要求不高。



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