Question

自然光与偏振光

Answer 1

一、自然光

从一切实际光源直接发出的光波，一般都属自然光，如太阳光、白炽灯光等。自然光的特点是在垂直光波传播方向的平面内，沿各个方向都有等振幅的光振动（见图1-3-2）。

图1-3-2 自然光及其振动特点

二、偏振光

仅在垂直光波传播方向的某一固定方向振动的光波称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。如图1-3-3所示，偏振光的振动方向与传播方向构成的平面称为振动面。

图1-3-3 平面偏振光

自然光可以通过反射、折射、双折射及选择性吸收等作用转变成偏振光（见图1-3-4（a）。使自然光转变成偏振光的作用称为偏振化作用。在光学实验中将自然光转变为偏振光的装置称为偏光片（或起偏器）。偏光片通常根据光的选择性吸收作用或双折射作用（尼科尔棱镜）产生偏光的原理制作而成。目前广泛使用的偏光片是用赛璐珞或其他透明材料的薄片制成的，表面涂了某种细微的晶体物质（例如硫酸奎宁），这种微晶按一定方向排列，能吸收某些方向的光振动，而只让与这个方向垂直的光振动通过（见图1-3-4（b）。为了便于说明，偏振片上标出允许通过光的振动方向，这个方向叫做偏振化方向。

图1-3-4 偏振光的产生

三、偏振片的起偏和检偏作用

自然光通过偏振片可以转变成偏振光。如图1-3-5所示，自然光通过偏光片A转变为偏光。此时如果在偏光的传播方向上再设置偏光片B（检偏器）时，将发生如下变化：当B的偏振方向与A的偏振化方向平行时，该偏振光可继续透过B射出；当把偏振片B转动90°角时，即B的偏振化方向与A的偏振化方向垂直时，则该偏光就不能透过偏振片B射出。因此当以光的传播方向为轴转动偏振片B时，就会发现通过B的光由明变暗，再由暗变明的过程。在B偏振片转动360°时，可以出现两次全明两次全暗的现象，因此A偏振片起到起偏作用，B偏振片起到检偏作用和确定偏振光振动方向的作用。宝石用偏光镜就是按照此原理而制造的。当偏振片质量较差，对自然光不能达到完全偏振化作用时，通过A、B两偏光片的光无法达到完全偏振，通过B偏光片就无法看到全暗的现象，整个视域内将表现为一种近似于黑的灰色。

图1-3-5 偏振片的起偏与检偏

四、自然光和偏振光在宝石中的传播特点

1.光性均质体和光性非均质体

根据光学性质不同，可以把宝石矿物划分为均质体和非均质体两大类。一般而言，非晶质宝石和等轴晶系的宝石矿物，在各个方向上的光学性质相同，称为光性均质体，简称均质体。如火山玻璃、钻石、石榴石、尖晶石等宝石。中级晶族和低级晶族的宝石矿物，其光学性质随方向而异，称为光性非均质体，简称非均质体。宝石中的大部分属光性非均质体，如红宝石、蓝宝石、橄榄石、水晶、祖母绿等。

2.光波在均质体宝石中的传播特点

光波进入均质体宝石时，基本不改变入射光波的振动特点和振动方向。如图1-3-6所示，一束自然光射入均质体宝石后，仍然为自然光；一平面偏振光射入均质体宝石后，仍为偏振光，并基本保持其原来的振动方向，即其传播速度及相应的折射率值不因光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。

3.光波在非均质体宝石中的传播特点

图1-3-6 光波在均质体中的传播特点A——自然光；B— —偏振光

图1-3-7 光在非均质体（冰洲石）中的双折射现象

当光波进入非均质体宝石时，除特殊方向之外，一般都要发生分解，分解成振动方向互相垂直、传播速度不同的两束偏光，这一现象称为光的双折射。当自然光进入非均质体宝石时，一般将改变入射光波的振动特点，被分解为互相垂直的两束偏光。如图1-3-7所示，由点P入射的一束自然光进入方解石晶体后被偏振化，在出射界面分解成由P_o、P_e出射的两束偏振光。当一平面偏振光入射到非均质体宝石时，该宝石将对此偏光再次分解成两束偏振光，原振动方向发生改变。

当光波在非均质体宝石中传播时，其传播速度及相应的折射率值随光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。非均质体可以有两个或两个以上的折射率值。

当光波沿非均质体宝石的某个特殊方向入射时，不发生双折射，基本不改变入射光波的振动特点和振动方向，这一不发生双折射的特殊方向称为光轴。中级晶族宝石晶体（如红宝石、祖母绿、锆石等）只有一个光轴方向，称为一轴晶；低级晶族宝石晶体（如透辉石、长石、橄榄石、黄玉等）具有两个光轴方向，称为二轴晶。