珠寶知識223：珠寶考研考證篇（四十）：自然光與偏振光

上一篇文章中，重點向大家介紹了“光”的本質，在今天的文章之前，我要再次強調一下“光”一個非常重要的特徵：光波的振動方向與傳播方向垂直，這句話一定要深深的記在腦子裏，因爲在後面很多的問題，我們都要通過這句話來進行分析，一定一定一定要記住這句話，我希望大家能夠在心中默讀三遍。再看一下下面這張動圖，加深記憶。

好了，進入到今天的正題，什麼是自然光，什麼是偏振光。

對於自然光，在生活中的理解往往是太陽光，但是在寶石學中，這樣的理解卻有失偏頗，真正自然光的定義是這樣的：

從一切實際光源直接發出的光波，一般都屬於自然光，如太陽光，白熾燈光等。

好了，關於這個定義，看起來非常簡單，但經常會有一些同學依然不清楚到底什麼是自然光，在這裏我需要再強調幾點。

第一，  任何一個光源發出來的光都是自然光。關鍵詞是“任何”二字。我們日常生活中所有的能夠發光的事物，就是光源，只要它發光，發出來的就是自然光，太陽光（自然不必說，一定屬於自然光）、蠟燭、白熾燈、日光燈、霓虹燈等等，哪怕是電腦（手機）的屏幕、手電筒、甚至是老師上課所使用的激光筆，所有的光源發出來的光，都是自然光。

第二，  自然光的定義中，沒有描述光的顏色、強度、波長（頻率）、傳播介質等等，所有與“光”有關的其他物理量，在這個概念中都沒有提到，因此無論光線是什麼顏色的（單色光、混合色光、白光等）、光的強度（無論有多強，無論有多弱）、波長有多長、頻率有多高（波長與頻率決定光的顏色），所以，自然光可以是單色光、可以是兩種或兩種以上顏色組成的混合色光、可以強到刺眼，也可以讓人毫無察覺，他們都可以是自然光。看看下圖，就是激光筆發出來的光，無論什麼顏色，什麼強度，都屬於自然光。

通過以上兩點強調，當我們需要判斷一束光到底是不是自然光，一定要與它的定義緊密靠攏。

既然這些光源發出來的“光”都叫做自然光，那麼，他們都有怎樣的共同點呢？

自然光的特點就是在垂直光波傳播方向的平面內，沿着各個方向都有等振幅的振動。

對於這個特點，我們做如下介紹：下圖爲自然光及振動特點的示意圖，紅色方框中向右的箭頭代表了光的傳播方向，這時在垂直於光波的傳播方向切上一刀，就會得到一個平面，這個平面就是垂直光波傳播方向的平面（如左側藍色方框），在這個平面內，我們會看到，光的振動方向並不是沿着某一個特定的振動方向，而是以一箇中心爲原點，向四面八方振動，並且在不同的方向上的振幅是完全相等的。此時我們將不同方向上振動端點連接起來，就會形成一個圓。這就是自然光的振動特點。

如果在各個方向上有等振幅的振動，我們將這束光稱之爲自然光；那麼，如果光波僅在某一個方向上有固定的的振動，我們就將這束光叫做平面偏振光，簡稱偏振光。

看看下圖，在垂直光的傳播方向切一刀，同樣可以得到一個橫截面，此時能夠看到光僅僅沿着一個方向振動，與自然光有着非常本質的區別。由此引出來一個相應的概念，那就是振動面——光的振動方向與傳播方向組成的平面，就叫做振動面。

在這裏同樣需要強調，對於偏振光的定義，依然沒有提到光的其他物理量，包括波長、頻率、顏色、強度等等，那麼判斷一束光是否是偏振光，只要看光波是否沿着一個固定的方向振動就可以了。

那麼對於偏振光與自然光之間的區別，也僅僅有振動方向上的區別，除此之外，沒有其他，也就是說，除了振動方向以外，偏振光與自然光之間的所有物理量（顏色、強度、波長、頻率等）都有可能是相同的。因此判斷一束光的性質，僅僅考慮光波的振動方向就可以了，千萬不要再去尋找其他物理量之間的不同。

那麼自然光與偏振光之間是如何轉化的呢？

1、折射與反射作用

通過折射與反射作用，可以將一束自然光轉化成爲偏振光。其中，反射光的振動方向垂直於入射光與反射光組成的平面；折射光線爲部分偏振光，主要的振動方向平行於入射光與折射光所組成的平面，通過多次的折射與反射之後，最終折射光線也會轉變成爲平面偏振光；

2、雙折射作用

很多寶石礦物都具有雙折射，也就是說，當一束光線入射到寶石礦物的時候，除了某些特殊的方向，會將光線分解成爲兩束光，這種現象我們稱之爲雙折射現象。比如日常生活中經常會見到的冰洲石，透過冰洲石可以看到背後的物體變成了兩個，這其實就是將一束光線分解成了兩束光線的現象。

分解成的這兩束光線的振動方向是相互垂直的，一條平行於入射光與折射光所組成的平面，一個垂直於入射光與反射光所組成的平面。在晶體光學中，根據寶石的雙折射現象，將寶石分爲了一軸晶與二軸晶，同時有根據不同光線折射率的不同，又分別將其分爲正光性和負光性，這些概念，我們會在後面的課程中提到。

在寶石鑑定儀器中的二色鏡，就是利用了冰洲石較大的雙折射，從而能夠觀察到寶石不同振動方向光波的顏色差異，從而判斷寶石的多色性。下圖爲二色鏡的結構示意圖。

3、選擇性吸收

這是在寶石鑑定儀器中最常用到的一種將自然光轉換成爲偏振光的方式，在光學實驗中，通常將自然光轉化成爲片狀的裝置叫做起偏器，或者叫做偏振片。當自然光照射到偏振片的時候，偏振片可以吸收其他方向振動的光線，僅使某一個振動方向的光通過。有些時候，偏振片上需要標出允許通過光的振動方向（偏振化方向）。

在寶石鑑定儀器中，會用到偏振片的主要爲偏光鏡（用於判斷寶石的光性特徵）、折射儀（通過偏振片的作用，便於觀察相關的讀數）。

說到這個偏振光，我想大家一定會想起在購買太陽鏡的時候，往往都會選擇偏光鏡，或者在觀看3D電影的時候，也需要帶上一副偏光眼鏡纔可以。這裏所說的偏光鏡就是我們剛剛講到的偏光，在驗證鏡片的時候，我們會將兩個鏡片相互垂直放置，如果不能看見鏡片後面的物體，就說明鏡片是偏振光鏡片了。

爲什麼會形成這樣的效果呢？這就是我們要講到的起偏和檢偏了。

首先，看看下面這張圖，在這個實驗中放置了兩個偏光片，A和B，當自然光照射到偏光片A的時候，A將自然光轉化成爲偏振光，所以A這個偏光片可以稱之爲起偏器，B的主要作用就是用來檢驗A是否真的將自然光轉化成爲了偏振光。所以B叫做檢偏器。

由於起偏器A僅允許豎直振動方向上的光通過，如果B所允許的振動方向也爲豎直，則偏振光可以通過檢偏器B，背後的屏幕就是亮的。

如果將檢偏器旋轉一定的角度，B也僅能允許一部分的光線通過，並且偏振光的振動方向隨着檢偏器B的旋轉而發生改變，並且與檢偏器B所允許的振動方向保持一致。這時候屏幕上的光線相對較暗，同時隨着旋轉角度的增大，亮度逐漸變小。

一旦將檢偏器B所允許的振動方向旋轉九十度，改爲水平方向，偏振光是無法通過檢偏器B的，因此背後的屏幕爲全暗，沒有任何光線的存在。當繼續旋轉的時候，背後的屏幕又開始慢慢變亮，最終達到最大值，由此往復。因此整個當檢偏器B旋轉360°的時候，背後的屏幕會出現兩次全明，兩次全暗的現象。

這就是檢驗偏光片質量好壞的原理，也是寶石鑑定儀器中偏光鏡的應用原理，在使用偏光鏡之前，需要檢查起偏器和檢偏器，首先讓偏光鏡的視域達到全暗才能夠使用。如果偏光片的質量較差時，不能將全部的自然光轉化成爲偏振光，整個視域會成爲近於黑色的灰色。下圖爲偏光鏡使用前的檢查工作，整個視域調整到全暗。

好了，關於自然光與偏振光之間的概念，就分享到這裏，希望對大家有所幫助。