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光学教学笔记之赏罚二柄

已有 646 次阅读 2019-11-29 09:37 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦

  

什么是政治?政治就是把敌人的人搞得少少的,把自己的人搞得多多的!


偏振是光的基本属性。对于一束光,你不仅想知道它的波长,还想知道它的偏振。波长可以利用棱镜(色散)或者光谱仪(干涉)来测量,偏振怎么测量呢?简单啊,只要找个对偏振状态敏感的探测器就可以了——这是物理学家的惯用伎俩。比如说,在探讨真空里的球形鸡之余,你还想把大象放到冰箱里,就只需要三个步骤:打开冰箱门;把大象放进去;关上冰箱门。

一般的探测器对光的偏振不敏感,只能测量光强的大小。这就要求你能够确认光在到达探测器之前的偏振状态——问题又兜回来了。不过还好,有些器件可以让某种特定偏振的光通过,方法无外乎两种:“偏振片”把偏振不合适的光干掉(也就是吸收掉),利用了某些材料对不同偏振光的吸收率不一样这个事实;“偏振分光镜”让偏振不同的光分道扬镳,你走你的阳关道,我过我的独木桥,利用了某些材料对不同偏振光的折射率不一样这个事实。通常,这两种方法放行的光都是线偏振光,相应的器件统称为检偏器(或者起偏器,这是根据用途划分的,其实是一码事)。

 

随便一束光,通过检偏器以后,出来的都是线偏振光,利用探测器,可以测量这个线偏振光的光强。转动检偏器,线偏振光的偏振方向就会跟着转动,如果探测器得到的光强也随之发生变化,说明最初的入射光是偏振光:检偏器转动一周,探测器光强出现两次最大值,两次最小值。如果最小值为零,说明最初的入射光是纯的线偏振光,否则,可能是部分偏振光,或者是纯的椭圆偏振光。转动检偏器,如果探测器的光强不变,说明最初的入射光可能是没有偏振的自然光,或者是纯的圆偏振光。

单纯地转动检偏器,不能区分圆偏振光和自然光,这就需要“四分之一波片”帮忙了。用单轴材料做成透明薄片,对于不同偏振的光,其折射率不一样,相应的光程就有差别。适当地选择光轴的方向和薄片的厚度,可以让这个光程差等于光波长的1/4(这就是“四分之一波片”这个名字的来历),对应于$/pi/2$的相位差。(显然,还可以有光程差为其它值的波片,最常见的是“半波片”,即“二分之一波片”)。因为线偏振光和圆偏振光的差别就在于,两个相互垂直方向上的电场分量相差了$/pi/2$的相位,所以,利用“四分之一波片”,可以把圆偏振光变成线偏振光。如果最初的入射光是自然光,出来的光还是自然光;如果入射的光是圆偏振光,出来的光就是线偏振光了, 再利用一个检偏器,就可以区分这两种情况了。

 

刚才是从检测偏振的角度谈偏振片和波片,但是显然,它们也可以用来制备光的偏振状态。检测和制备是一体两面,它们都是手段,不是目的。运用之妙,存乎一心。举个例子吧:

在光源和探测器之间,放置两个相互垂直的偏振片A和B,探测器上的光强肯定就是零了,因为光经过A以后的偏振垂直于B。在AB之间插入第三个偏振片C,探测器上的光强可能就不为零了,具体的数值依赖于安放C的角度。你也可以不用C,而是插入一个波片D,效果也是类似的。如果你把单个探测器换成CCD探测阵列,在偏振片C(或者波片D)的位置放上一个透明的样品(具有双折射效应),还可以看到干涉图案。

 

在讨论双折射现象时,我们必须确认光的偏振方向,需要强调的是,这个方向总是有具体参照物的,比如说光轴、传播方向和界面法线等。谈方向而不谈参照物,就是耍流氓,只是在日常生活中,参照物的选择往往是不言而喻的,比如说,东西南北是根据太阳的升落确定的(在某本科幻小说里,“X星球与地球不同,这里的太阳是从南边升起的”,真是让人笑掉大牙,因为东的定义就是太阳升起的方向),前后左右是根据人脸的朝向确定的。有时候情况会复杂一些,取向的根据是习惯,比如说“江左”和“陇右”。但是无论如何,参照物是少不了的,所谓“淮左名都,竹西佳处”是也。

 

最后,我们再从政治的角度谈谈检偏器和波片。检偏器的手段比较残酷,臭气相投的放行,敢唱反调的诛灭,所谓“顺我者昌,逆我者亡”;波片的手段比较怀柔,给对手以出路,四分之一波片把圆偏振光变为线偏振光,半波片把垂直偏振的变为水平偏振。恰当地使用波片和检偏器,“恩威并施”,就可以让光的偏振跟随你的意愿走,“大棒加上胡萝卜”,不怕你不跟我走。这个道理很简单,韩非子早就说过了:

明主之所导制其臣者,二柄而已矣。二柄者,刑德也。何谓刑德?曰:杀戮之谓刑,庆赏之谓德。




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1 刘全慧

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