118．非偏振光.PDF

物理学的历史负担 118．非偏振光 主题： 非偏振光是什么意思？下面引用的内容是对这个问题的回答。 “如果光波的E 矢量的振动没有优先的方向，这就是非偏振光。如果E 矢量在某个确 定的方向上振动，这就是偏振光。白光一般来说是非偏振光。” “一般来说，电磁辐射是由许多振动面的方向不同、振动的相位不同的波叠加而成的。” “自然光通常是非偏振光。它产生于大量原子的原子跃迁。每个原子发射一个光波， 其偏振方向在空间是任意分布的。因此，发射光的振动面是不断在变化的。” 有时偏振光用图 1 所示的曲线来描述。这种曲线可以想象为电场强度（更确切地说是 电场强度矢量的剪头）在光传播方向上的位置坐标的快照。我们可以同时在同一位置看到 不同的“波”。 图1. 电磁波中电场强度矢量剪头的“快照”。这个波是非偏振的吗？ 缺点： 对偏振电磁波的概念是不难理解的。同样，对偏振器的工作原理也是不难理解的。对 非偏振光的理解看来是个较难的问题。在中学物理教科书中，这个问题在某种程度上被忽 视了。 有几种不同的光的理论：几何光学、经典电磁学、量子电磁学和热力学。根据不同的 理论，对非偏振光的解释是不同的。这里，我们把讨论局限在经典电磁学的范围内。 垂直于光的传播方向的平面上的电场强度矢量随时间变化的情况最好地描述了光的 偏振状态。用图示的方法来描述的话，就是在这个面上画出矢量箭头的运动情况。（这里 我们假定光线在其横向振动方向上是各向同性的。） 1 物理学的历史负担 光可以有各种不同的偏振状态。最重要和最常见的偏振状态是线偏振、椭圆偏振（圆 偏振是一种特例）和完全非偏振。 对于线偏振光，其矢量箭头做简谐运动。对于椭圆偏振光，其矢量箭头做椭圆运动。 我们可以产生出其他许多可能的偏振光，其矢量箭头的运动呈各种形状，具体表现为利萨 如图线。对于非偏振光，其矢量箭头的运动没有规则的形状，也没有确定的周期。这种运 动的平均速度取决于光的温度，矢量箭头的长度取决于光的强度，运动方向和路径无规则 地变化。我们也可以用笛卡儿坐标的分量来描述这种矢量。这时我们可以说，矢量的x 和 y 分量无规则地变化。对于这两种描述，对光的“无序”状态有两方面的贡献，因而对光 线所传递的熵有两方面的贡献。 下面我们来讨论上面所引用的内容： 1．第一个引用的内容是，E 矢量在振动，其振动没有一个优先的方向。通常我们知道， 振动是一种周期性的运动。然而，对于白光，其电场强度矢量的箭头并没有做周期性的运 动，而是无规则的运动。 2 ．第二个引用的内容是，热辐射是由一个个波叠加而成的。这个说法有点扯远了。 首先，我们必须明确“单独一个波”是什么意思。人们也许会认为它指一个正弦波。这样， “单独一个波”就是光波的简谐分量。如果是这样的话，更合适的说法应该是，热辐射可 以被分解为这样的简谐波，正象它可以被分解为许多其他形式的波一样。但是，这里并没 有简谐分量的意思。在第三个引用的内容中就是这样说的。 3 ．“每个原子发射一列光波，……”由此我们知道，光波不可能是一个纯的正弦波。 由于它原自一个原子，它有开始就必有结束。根据许多学生所具有的概念，这样的“光波” 是可以单独地被识别的或至少可以被想象的。也许光子是人们熟悉的概念。它的通俗概念 是：它是一个小的东西，这个东西象一根被扭成波形一样的线。它即使是光线的一部分， 也具有单个性。在一些教科书的插图中强化了光子的这个概念。 4 ．物理教科书中通常有一些描述偏振器工作原理的图。有时这些图象图 1 那样。在 这个图中，给出了三个“单个的波”。它们有相同的波长和相位。这个图没有表明它们的 长度。如果仅考虑所表示的那部分，叠加的结果将是一个线性偏振波。在图中无法看到这 样的结论，即波的状态是无序程度（熵）为最大值时的状态。 历史： 看来，这些问题来自好几个原因。 1．当学生们知道光是横波时，他们也许会认为场强矢量的箭头必定在垂直于波传播方 2 物理学的历史负担 向的平面内振动。 2 ．人们总是认为，光波是由光谱分量构成的，而不是由我们任