偏振小课堂「第一期」偏振的研究历史

第一期

偏振（Polarization），是光学领域里大家耳熟能详的名词。偏振是光的固有属性，反应了光在传播过程中，光波振动方向随时间的变化规律。其实在我们的生活中，有很多应用偏振光的例子，如沙蚁、蝗虫、蜜蜂等利用特殊的眼睛结构感知偏振光，从而进行导航、觅食和交流。我们在电影院看 3D 电影时，工作人员会给我们一副“大墨镜”，其实就是偏振镜。摄影师拍摄的时候会给镜头装上偏振镜片，从而消除反光拍清水下物体。

那么偏振究竟是什么？它的研究历史是怎样的？偏振成像是什么？偏振成像能做什么？为了让大家更了解偏振成像，我们推出《偏振小课堂》栏目，本期介绍“偏振的研究历史”。

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1669年，拉斯穆·巴多林将一块称为冰洲石的石英放在一张画了一条直线的纸上，令他大为意外的是，他看到的不是一条直线，而是两条，也就是双折射现象，但是当时巴多林无法解释这现象的物理机制。

双折射现象

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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，但是他想出的简单波动理论不能对这现象给出解释。

03

同时期的牛顿也对双折射现象的成因进行了猜测: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，但猜测的证实以失败告终。

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1801年托马斯·杨进行了著名的杨氏双缝实验，发现了光的干涉性质，证明光以波动形式存在，而不是牛顿所想象的光颗粒，该实验被评为“物理最美实验”之一。

杨氏双缝实验

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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，马吕思因此荣获1810年的物理奖。马吕思对于偏振现象做出诸多贡献，后人尊称他为“偏振之父”。

蒂安-路易·马吕斯

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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。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。

光波是横波

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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。

斯托克斯参数

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1892年，庞加莱提出了能够直观描述偏振态的Poincaré球表示法，庞加莱球是研究任一偏振态的图示方法。

庞加莱球图示

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1941年，R.C.琼斯用琼斯矩阵来描述偏振光，当光穿过光学元件时，通过取出光学元件的琼斯矩阵和入射光的琼斯矢量的乘积来找到出现的光的偏振。请注意，琼斯矩阵仅适用于完全偏振光，部分偏振和非偏振光必须使用穆勒矩阵进行处理研究。至此，对于偏振的研究形成了较为成熟的学术系统。