光與物質的交互作用:

物質由原子構成,原子內部則含有電子、質子等帶電粒子,這些帶電粒子構成所謂的電偶極,可以當作電磁波的接受器與發射器,是一種天然形成的天線。當光進入一般的透明物質然後穿透出來,由於光的顏色相同,我們常常會覺得這是同一道光,但嚴格來說,出來的光並非原本進入的光,在此物質中發生了許多能量傳遞的交互作用。

當光進入物質,其所伴隨之電場將被物質中的小天線(電偶極)吸收,而使物質中的電偶極產生同頻率的震動,接著又因電偶極的震動,隨即產生新的光,此光又引致接下來路徑上的電偶極震動然後接著發光,一個傳一個,最終離開這物質,由於一般物質都是所謂的線性(linear)、均勻(homogeneous)、等向性(isotropic)的材料結構,光在物質中傳遞時,其頻率、方向等物理特性都不會有所變化,因此我們也會很理所當然地將進出的兩道光視為同一道光。

光速在物質中比真空慢,就是導因於此能量傳遞交互作用的延遲時間,而該時間延遲所導致物質中光速被減慢的比例,其實就是所謂的折射率,至於折射率的特性,在色散(dispersion)部分的內容中會有詳細說明。

然而,某些特殊物質,卻有著非常特殊的光學特性,假設物質中的電偶極因物質結構特殊的排列方向,導致在某方向上很容易隨著電場振動,但另一方向卻不容易,於是此物質對電磁波偏極的反應,就會在不同方向上有所不同,像攝影用的偏光鏡只能容許光的特定偏極方向通過,就是一個極端的例子。

更進一步來說,物質結構的組成會影響光與該物質交互作用,若此一物質在垂直方向上和水平方向上具有不同的特性,就會使進入此物質的光,產生不同的能量傳遞效應,最終導致其對不同方向的電場分量具有不同的相位延遲或折射率,這就是光電實驗中常用的相位延遲片或雙折射晶體的大致原理。

古典力學中有所謂的虎克定律,當外力超過彈簧的彈性限度時,將破壞虎克定律所述之外力與形變成正比的關係,物質中的小天線(電偶極),也可比擬作虎克定律中的彈簧,當外加交流電場強度太強的時候,會破壞電偶極對該電場的線性反應,使其產生不規律的擾動,除按照原交流電場相同頻率之主頻振動外,也會伴隨產生高階項次的頻率出現。自1970年代高強度的雷射發明之後,就逐漸發現此一現象,由於雷射光的強度很高,很容易產生這種非線性的效應,高階頻率的出現代表光的顏色改變,這也就是近年來不斷發展的非線性雷射變頻技術的基本概念,坊間常見的綠光雷射筆,其532nm的綠色雷射光,其實就是來自於1064nm雷射光經過非線性晶體產生的二階諧頻。

在電磁學中,光與物質的作用基本上就是看折射率對電場的關係,若折射率在物質的不同位置而有不同大小,表示此物質為非均勻性(inhomogeneous),若折射率隨電場強度而改變,則此物質為非線性(nonlinear),若折射率隨光的頻率而改變,那麼此物質即具有色散性(dispersive),若電場在某方向的分量會影響到另一方向的物質反應,使折射率成為一矩陣向量時,則此物質為非等向性(anisotropic)。