光为什么会发生衍射,为什么会有光的衍射现象

导读：以下章节为灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》第8章光的偏振。了解光的偏振现象，是理解干涉，衍射的前提。 拉斯穆·巴多林是第一个发现偏振现象的人，马吕斯对于偏振现象做出诸多贡献，后人尊称他为“偏振之父”。

1、光的偏振

不要把生活想的绚丽多彩，要把生活想的自然而然。因为没有时时刻刻的绚丽多彩，就像你不会每天都站在领奖台上一一样。

文字是这个世界最伟大的发明，书籍是我们进步的阶梯。我用文字来点缀生活，来记录时间。今天我们一起来看看，什么叫光的偏振。

基本定义是这样：光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。

只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均【从统计角度来将】说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。

如果大家觉得不好理解，可以先理解偏振的概念，然后在理解光的偏振。

偏振指的是波动能够朝着不同方向振荡的性质。电磁波、引力波都会展示出偏振现象。一般传播于气体或液体的声波不会展示出偏振现象，因为声波只会朝着传播方向振荡。

电磁波的电场与磁场彼此相互垂直。按照常规，电磁波的偏振方向指的是电场的偏振方向。在自由空间里，电磁波是以横波方式传播，即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向。理论而言，只要垂直于传播方向的方向，振荡的电场可以呈任意方向。

假若电场的振荡只朝着单独一个方向，则称此为“线偏振”或“平面偏振”；假若电场的振荡方向是以电磁波的波频率进行旋转动作，并且电场矢量的矢端随着时间流意勾绘出圆型，则称此为“圆偏振”；假若勾绘出椭圆型，则称此为“椭圆偏振”。对于这两个案例，又可按照在任意位置朝着源头望去，电场随时间流易而旋转的顺时针方向、逆时针方向，将圆偏振细分为“右旋圆偏振”、“左旋圆偏振”，将椭圆偏振细分为“右旋椭圆偏振”、“左旋椭圆偏振”；这性质称为手征性。如下图

【注意看基底的投射，分别是线，正圆，椭圆。以此来划分偏振形态的。】

上面的论述，其实说明了偏振的本质是描述了波在空间中的电场强度变化，是空间及时间的函数。

在涉及到横波传播的科学领域，例如光学、地震学、无线电学、微波学等等，偏振是很重要的参数。激光、光纤通信、无线通信、雷达等等应用科技，都需要完善处理偏振问题。

那么谁是第一个发现光偏振现象的人呢？ 大家早已忘记，我们来认识一下吧。

他是丹麦科学家拉斯穆·巴多林，他于1669年发现了光束通过冰洲石时会出现双折射现象，假设照射光束于冰洲石，则这光束会被折射为两道光束，一道光束遵守普通的折射定律，称为“寻常光”，另外一道光束不遵守普通的折射定律，称为“非常光”。

巴多林无法解释这现象的物理机制。后来，克里斯蒂安·惠更斯注意到这奇特现象，他在1690年著作《光论》的后半部里，对这现象有很详细的论述。

他认为，由于空间可能存在有两种不同物质，所以才会出现两道光束，它们分别对应于两个不同的波前以不同的速度传播于空间，所以，这不是很不平常的现象，但是，惠更斯又发现，这两道光束与原本光束的性质大不相同，将其中任何一道光束照射于第二块冰洲石，则折射出来的两道光束，其辐照度会因为绕着光束轴旋转冰洲石而改变，有时候甚至只会剩成一道光束。惠更斯猜想光波是纵波，他想出的简单波动理论不能对这现象给出解释。

【两束光变为一束光是入射角度导致的，有一个特殊的入射角度。这是我们后来知道的。】

而艾萨克·牛顿猜测，双折射现象意味着组成光束的粒子具有侧面（垂直于移动方向）性质。

1808年，法兰西学术院提议，1810年物理奖比赛的题目为“对于双折射给出数学理论，并且做实验证实”。艾蒂安-路易·马吕斯决定参与竞争。他做实验观察，日光照射于卢森堡宫的玻璃窗，然后被玻璃反射出来的光束，假若入射角度达到某特定数值，则这反射光与惠更斯观察到的折射光具有类似的性质，他称这性质为“偏振”性质。

他猜想，组成光束的每一道光线都具有某种特别的不对称性；当这些光线具有相同的不对称性时，则光束具有偏振性；当这些光线的不对称性分别概率地指向不同方向时，则光束具有非偏振性；当在这两种案例之间时，则光束具有部分偏振性。

不单是玻璃，任何透明的固体或液体都会产生这种现象。他又从实验结果推论出马吕斯定律，定量地给出偏振光通过检偏器后的辐照度，考虑到偏振方向与检偏器传输轴方向之间的夹角角度。这实验极具创意，又得到了很丰硕的重要成果，马吕斯因此荣获1810年的物理奖。马吕斯对于偏振现象做出诸多贡献，后人尊称他为“偏振之父”。

后来，奥古斯丁·菲涅耳与弗朗索瓦·阿拉戈合作研究偏振对于杨氏干涉实验的影响，他们认为光波是纵波，呈纵向震荡，但是这纵波的概念无法合理的解释实验结果。阿拉戈告诉托马斯·杨这问题，托马斯·杨大胆建议，假若光波是横波，呈横向震荡，则光波可以分解为两个相互垂直的分量，或许这样做可以对实验结果给出解释。果真，这建议清除了很多疑点。【这个其实在上一章有提到过。】

1817年，菲涅耳与阿拉戈将实验结果定性总结为菲涅耳-阿拉戈定律，表述处于不同偏振态的光束彼此之间的干涉性质。之后，菲涅耳试图进一步定量表述这实验，他发展出的波动理论是一种振幅表述，主要是用光波的振幅与相位来作分析；振幅表述能够定量地解释偏振光的物理性质；但非偏振光或部分偏振光不具有稳定的振幅与相位，无法用振幅表述给予解释。

【图中E是电场，B是磁场，K的方向为光的传播方向。】

大家要清楚的知道，这个时候伟大的电磁学集大成者麦克斯韦还没有出生呢。所以菲涅尔的理论并没有探触到光的本质，也不会认识到光是电磁波。他是从现象开始着手研究的，需要非常好的想象力。

1852年，乔治·斯托克斯提出一种强度表述，能够描述偏振光、非偏振光与部分偏振光的物理行为；只需要使用四个参数，后来称为斯托克斯参数就可以描述任何光束的偏振态，更重要地，这四个参数可以直接测量获得。

那时，电磁学理论杂乱无章，詹姆斯·麦克斯韦将这些理论加以整合，于1865年提出麦克斯韦方程组。从这方程组，他推导出电磁波方程，推论出光波是一种电磁波，可以用麦克斯韦方程组作精确描述。

菲涅耳的波动理论是建立于一些貌似合理的假定，由于能够正确描述光波的一些物理行为，例如，传播、衍射、偏振等等，符合实验得到的结果，所以才被学术界接受。

从麦克斯韦方程组可以严格地推导出菲涅耳的波动理论，给予这理论坚实稳固的基础。

大多数光源属于非偏振光源，例如，太阳、白炽灯等等，因为它们所发射出的光波是由一组不同空间特征、频率（波长）、相位、偏振的光波随机混合所组成。

为了了解光波的偏振性质，最简单的方法就是先只思考单色平面波，这种波是具有特定传播方向、频率、相位、振荡方向的正弦波。从研究平面波光学系统的性质与行为，可以对于一般案例给出预测，这是因为任何特定空间结构的光波都可以分解为一组不同频率、不同振幅的平面波，称为其角谱。

日常可见光的大多数光源，包括黑体辐射、萤光，太阳光等，会发射出不相干光波。在这些光源物质里，处于激发态的原子或分子会独立、毫无关联地发射出这些随机偏振的电磁辐射波列。每个波列持续大约10-8秒，所以，光波的偏振只能保持不变不超过10-8秒。这种光波称为“非偏振光”。

这术语所传达出的意思并不精准，因为在任意时刻、任意位置，电场与磁场的方向都很明确，这术语所要传达出的意思为，偏振随时间流易而改变的速度非常快，它不是无法被测量到，就是与实验结果无关。最通俗的理解是偏振是普遍存在的。

偏振光在通过消偏器之后，由于透射光的偏振随时间流易而改变的速率非常快，实际而言，可以忽略透射光在任意时刻的偏振，因此将透射光归类为“非偏振光”。

上面有提到声波没有偏振现象，现在问大家，为什么没有？像声波一类的纵波，振荡方向按照定义是沿着传播方向，所以，偏振这论题通常不会被提出。

但另一方面来说，在大块固体传播的声波也可能是横波，也可能是纵波，总共有三个偏振分量。对于这案例，横偏振伴随剪应力的方向，位移方向垂直于传播方向；纵偏振描述固体的压缩与振荡沿着传播方向。在地震学里，横偏振与纵偏振之间的传播差别是很重要的参数。

因为本章的内容，比较抽象，需要很好的想象，不知道大家理解了没有？ 最后再给大家做一个通俗的解释。

可以这样说，只要是横波，就存在偏振。为什么呢？振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。这也是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。

而光波是电磁波，因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。具有偏振性的光则称为偏振光。

很多迷糊应该会是迷糊为什么自然光不是偏振光。通常，光源发出的光波，其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向，但统计平均来说，在空间所有可能的方向上，光波矢量的分布可看作是机会均等的，它们的总和与光的传播方向是对称的，即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同，这种光就称为自然光。

但自然光肯定也是电磁波，是横波，所以是具有偏振的。为什么没有把它称为偏振光，主要观点就是上面从统计角度所说的原因，还有一个原因上面也提到了。就是日常的大多数光源，包括黑体辐射、萤光，太阳光等，会发射出不相干光波。在这些光源物质里，处于激发态的原子或分子会独立、毫无关联地发射出这些随机偏振的电磁辐射波列。每个波列持续大约10-8秒，所以，光波的偏振只能保持不变不超过10-8秒。对于人类来说，这是非常非常短暂的。所以这种光波称为“非偏振光”。

这个现象我们在讲光的干涉，光的衍射的时候，就讲了。这样讲大家应该就可以理解了。

摘自独立学者作家，国学起名师灵遁者量子力学书籍《见微知著》