衍射及偏振现象

光的干涉、衍射及偏振现象

1660年，格里马耳迪发现了光的衍射现象和双光束干涉现象。他在1666年出版的《光的物理学》一书中，描述了自己所做的实验。他将光束通过小孔引入暗室，在透过孔的光束中立一根细竿，细竿的影子落在白色的墙面上。结果，他发现细竿的影子比计算得出的几何影子宽了许多，并且该影与一个、二个，有时三个彩带相邻接。当光很强时，他还观察到彩带能够进入阴影的现象。他又用不透明的小圆板代替细竿，观察圆板的影子，结果发现，白墙上的亮区比几何亮区为大。格里马耳迪将光线在传播过程中绕过障碍物边缘的现象称为“衍射。”他还用心地做了双孔实验，即把带有两个相距很近的小孔的平板置于光的照射之下，就在孔后的白板上得到了两个互相重叠的小孔像，重叠的一些部分显出了光的强度的减弱，这实际是双光束干涉中出现的相消干涉。

胡克也观察到了衍射现象。他发现并研究了薄膜干涉的彩色条纹。波意耳在1663年独立地研究了薄膜色，他细心地记载了肥皂泡和玻璃球的干涉状况，认为彩色是由于光在被照面上发生变异形成的。

牛顿早期，以修改了的形式重复了格里马耳迪的实验，他认真地研究了胡克提出的薄膜彩色条纹。牛顿环的设计与干涉花样的分析，是牛顿在光学领域的三大成就之一。

牛顿取两块玻璃体，一是14英尺望远镜用的平凸透镜，另一是50英尺左右的望远镜用的大型双凸透镜，而在双凸透镜上放上平凸透镜，使其平面一边向下，这时慢慢地把它们压紧，使得圆环的中心陆续出现各种颜色，然后再把上面的玻璃慢慢提起，使之离开下面的玻璃体，于是这些颜色又在圆环中心相继消失。在压紧玻璃体时，在别的颜色中心最后现出的颜色，初次出现时看起来像是从周边到中心几乎均匀的色环，每压紧玻璃体时，这色环会逐渐变宽，直到新的颜色在其中心显出，而它就成为包在新色环周围的色环。再进一步压紧玻璃体时，这个环的直径会不断增大，而其周边的宽度则减少，直到另一新的颜色在最后一个色环的中心显出；如此继续下去，第三、第四、第五种以及跟着的别种颜色不断在中心显出，并成为包在最内层颜色外面的一组色环，最后一种颜色是黑点。反之，若是抬起上面的玻璃使其离开下面的透镜，色环的直径就会缩小，其周边的宽度则增大，直到其颜色陆续到达其中心，后来它们的宽度变得相当大，就会比以前更容易认出和识别它们的色种了。牛顿就用这种办法观察了它们的顺序和分量。

在透镜的接触点处形成透明中心点之后，接着出现的是蓝色、白色、黄色和红色，蓝色的量很小，以致无法在透镜所形成的环中认出它，紫色在环中也不易识别，但黄色与红色都相当丰富，看起来与白色的程度差不多，比蓝色要强四五倍。紧接着包围这些色环外面的色环的颜色次序是紫、蓝、绿、黄、红，这些颜色都很清晰鲜明，只是绿色的量很少，似乎比其他颜色显得模糊暗淡得多。在其余四种当中，紫色的量最少，蓝色又小于黄色与红色。第三组环的顺序仍是紫、蓝、绿、黄、红；其中紫色似乎比前一组环中的紫色略带些红色，绿色就显著多了，别的颜色也一样鲜明而丰满，例外的是黄色，但红色开始变淡了，更接近紫色。在此之后，是由绿色和红色组成的第四组色环。其中绿色十分鲜明丰富，绿环的一边微呈蓝色，另一边微呈黄色。但在第四组色环里，没有紫色，蓝色也几乎没有，黄色与红色也很不完全，也不鲜明，以后各组色环越来越变得模糊不清了，到第七组环时，它们终于成为一片白色了。

牛顿测量了前六个黄色色环最亮的中心线的半径，发现其平方为一个由1，3，5，7，9，11构成的算术级数，另一方面暗环半径为由偶数2，4，6，8，10，12构成的算术级数。牛顿是最早认识到光具有周期性的科学家，他知道并亲自做过衍射实验，用心地研究过牛顿环干涉花样，这些本来是光的波动说的最好证明。他也清楚地看到波动说可以怎样来解释这些现象，但由于他坚持认为光是通过空间的高速前进的粒子流，所以在解释牛顿环花样时，他提出了所谓的“阵发理论”，每条光线在通过任何折射面时都要进入某种短暂的组态或状态，这种状态在光线行进过程中每隔一定时间又复原，并在每次复原时倾向于使光线容易透过下一个折射面，而在两次复原之间则容易被下一个折射面所反射。牛顿还提出了所谓的光的“阵发的长度”，其实它就是我们现在所说的光波波长。他在这里，亲临真理边沿，立刻就可获得光具有波动性的重大发现。但十分可惜，他在承认这些重要事实和现象之后，却拒绝用波动说来说明光的本性。

1669年，丹麦人巴塞林发现，一块来自冰岛的矿石——冰洲石晶体，具有一种特殊的性质：当一束光线射向这种晶体时，晶体中的折射光线变为两束，这就是光的双折射现象。巴塞林使一束光线垂直于冰洲石晶体表面入射，发现晶体双折射中的一束光线遵守斯涅耳定律，照直射向晶体的另一平行表面后直射出去，这束折射光线被他称为寻常光线或O光。另一束折射光线不与晶面垂直，偏折了一个微小的角度，且它不在入射线与晶面法线所确定的平面内，不遵守斯涅耳定律，被巴塞林称为非常光线或e光，它经晶体第二表面出射后也平行于入射光线。若使晶体以入射光线为轴转动，则寻常光线在屏上的光点位置不变，非常光的光点绕着它旋转。

1678年，惠更斯发现，双折射后的寻常光线与非常光线在垂直于其传播方向的某方向上与其他方向有不同的性质，即发现了双折射晶体中的光线具有偏振性。

1808年，法国工程师、物理学家马吕斯发现了反射光的偏振及平面偏振光通过晶体后的光强变化规律。这一年夏天的一个傍晚，他通过冰洲石晶体观看被玻璃窗反射的太阳像时惊奇地发现：当晶体在某位置时，太阳的双像之一消失了。他试图用光在大气中运行时发生某种变形来解释这一现象。可是，当天晚上，他又发现蜡烛光以36°角落在水面反射时，用冰洲石晶体也会看到类似的现象；在其他情况下，两个蜡烛火焰像明亮程度不同；当冰洲石晶体绕着水面的反射光方向转动时，两个火焰像呈现出交替的明暗变化。其实，马吕斯用冰洲石晶体去观察的被玻璃或水面反射的太阳或蜡烛光，是平面偏振光。它通过冰洲石晶体后发生双折射，O光与e光的振幅分别为A₀＝Asinθ，Ae＝Acosθ，即振幅随着入射平面偏振光光π矢量与晶体轴的夹角呈正弦或余弦变化。通常θ≠·K（R＝1，2，3……），所以可以看到O光和e光分别成的两个像，在θ＝（2k＋1）时，两个像明亮程度不等。特殊情况θ＝k·时，即入射于晶体的平面偏振光的光矢量2与晶体光轴垂直或平行时，有A₀＝0或Ae＝0，故可见双像之一消失了。马吕斯对寻常光与非常光的反射作了进一步研究。他发现：如果从冰洲石晶体出来的这两束光同时以36°角落在水面上，寻常光部分地被反射，非常光全然不被反射，不被反射的光折射后进入水中。他由此引出了光的“偏振”这一重要术语。他还证明了非常光与寻常光的“偏振”方位互相垂直。他指出折射光是部分偏振的，其偏振状况与反射光的偏振状况恰成相反的分布。

1811年，英国科学家布儒斯特发现，光线射向两种介质界面，当反射光线与折射光线恰好垂直时，反射光为平面偏振光。这就是反射起偏的普遍规律——布儒斯特定律。结合折射正弦定则，他得出这一定律的数学表达式。tgsinB＝即一条光线对介质界面的入射角的正切，恰好等于两种介质相对折射率时，反射光为平面偏振光。

同年，法国的阿拉果发现：以偏振化了的白光射向晶体，透过晶体的光在屏上呈现了彩色条纹。这就是色偏振现象。