光的偏振概念，很抽象，考驗你想像力的時候到了！

導讀：本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的，但世界的確定性不是我們能把我的。

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。

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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。

摘自獨立學者靈遁者量子力學書籍《見微知著》

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