光的干涉和衍射现象说明了光具有波动性。
光的偏振和光学各向异性晶体中的双折射现象进一步证实了光的横波性。
振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,它是横波区别于纵波的一个最明显的标志,只有横波才有偏振现象。
干涉和衍射是各种波动都具有的现象,无论是纵波还是横波,都会产生干涉和衍射。因此,我们常常根据干涉或衍射是否能发生来鉴别某种物质或某种运动形式是否具有波动性质。但是,由衍射和干涉的现象无法鉴别某种波动是纵波还是横波。纵波和横波的区别表现在另一类现象上,即偏振现象。
将一根长绳子的一端固定,另一端用手拉紧水平的绳子上下振动,产生横波。波的振动方向和波的传播方向垂直,并且振动方向始终保持在一个平面内。假如我们让绳子穿过一个栅栏,波的传播就会受到栅栏的限制。如果栅栏缝隙的方向与振动方向一致,波能顺利通过栅栏。如果缝隙方向与振动方向垂直,波就被阻挡而不能继续向前传播。
纵波与此不同。纵波的振动沿着波的传播方向,栅栏或类似的障碍无论在哪一个方向,都不会阻止波的传播。
就这方面的性质来看,纵波的振动对于波的传播方向是轴对称的,横波的振动对于波的传播方向不是轴对称的。横波的上述特点就是它的偏振性。
光波是电磁波。光波中含有电振动矢量E和磁振动矢量H,E和H都与传播速度u垂直,因此光波是横波。
实验表明,产生感光作用和生理作用的是光波中的电矢量E,所以讨论光的作用时,只需考虑电矢量E的振动。E叫做光矢量,E的振动叫做光振动。
1. 线偏振光
在光的传播过程中,只包含一种振动,其振动方向始终保持在同一平面内,这种光称为线偏振光(或平面偏振光)。你可以通过一个实验想象这是一种什么景象:你把一根绳子的一头拴在邻居院子里的树上,另一头拿在你手里。再假定绳子是从篱笆的两根竹子的正当中穿过去的。如果你现在拿绳子上下振动,绳子产生的波就会从两根竹子之间通过,并从你的手传到那棵树上。这时,那座篱笆对你的波来说是"透明的"。但是,要是你让绳子左右波动,绳子就会撞在两根竹子上,波就不会通过篱笆了,这时这座篱笆就相当于一个起偏振器件。
2. 部分偏振光
光波包含一切可能方向的横振动,但不同方向上的振幅不等,在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值,这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。
当光线从空气(严格地说应该是真空)射入介质时,布儒斯特角的正切值等于介质的折射率n。由于介质的折射率是与光波长有关的,对同样的介质,布儒斯特角的大小也是与光波长有关的。以光学玻璃折射率1.4-1.9计算,布儒斯特角大约为54-62度左右。当入射角偏离布儒斯特角时,反射光将是部分偏振光。
3. 椭圆偏振光
在光的传播过程中,空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动,且电矢量端点描出一个椭圆轨迹,这种光称为椭圆偏振光。迎着光线方向看,凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光,凡逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光。椭圆偏振光中的旋转电矢量是由两个频率相同、振动方向互相垂直、有固定相位差的电矢量振动合成的结果(见波片)。
4. 圆偏振光
旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光,是椭圆偏振光的特殊情形。在我们的观察时间段中平均后,圆偏振光看上去是与自然光一样的。但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的,而自然光的偏振方向变化是随机的,没有规律的。
特征
偏振度的数值大于等于0,小于等于1;当偏振度的值愈接近1,表示光线的偏振化程度就愈纯粹,即完全偏振。
由特定材料制成,每个偏振片都有一个特定的方向,沿着这个方向振动的光波能顺利通过偏振片,偏振方向与这个方向垂直的光不能通过,这个方向叫“透振方向”.
图一 光的偏振现象说明光是横波
扩展
只要光的偏振方向不与偏振片的透捺方向 垂直,都可以不同程度地通过偏振片。即光的偏捺方 向与偏振片的透振方向成一定夹角 $\theta$ 时 $\left(0<\theta<90^{\circ}\right)$, 光可以部分通过偏振片, $\theta$ 越小透过的光越多。