冰洲石与太阳观测仪器
前些日子跟一位石友聊天，对方无意提到，他的一位亲戚曾经在南京天文仪器公司工作，期间曾经数次在中国南方各省采集光学质量的透明方解石（即冰洲石），以供建造太阳望远镜之用。由于他本人并无天文背景，这些背景只是照猫画虎地转述，至于所造仪器的结构与用途统统不详。不过自己的兴趣就此被勾了起来，于是借此考证了一番。
考证的过程比最初设想的要棘手，因为网络上的相关资料（无论是中文还是英文）寥寥无几，于是只能根据现有的光学和仪器相关知识作推断，也欢迎读者补充。首先从方解石的基本特性入手。在光学上，这种矿物最重要的一个性质就是双折射。直观地说，隔着方解石看图，就会看到“双影”：
用光学的术语来描述，方解石属于各向异性介质，其内不同方向上的折射率不同。当光线射入方解石后，会分解为遵循折射定律的寻常光与不遵循折射定律的非常光两束，二者传播速度不尽相同。就上图中的例子而言，“基弗德”三字的双影，较清晰的一组影像的对应寻常光，而颜色较浅的一组对应非常光。当转动方解石晶体时，后者会围绕前者旋转。此外所有的双折射晶体都存在一个特殊的方向——光轴。沿光轴方向入射的光线虽然也会被分解为两束，但此时二者的传播速度相同，不再发生双折射现象。
由于寻常光与非常光都属于平面偏振光，振动方向彼此垂直，且偏振度高达100%，因此光学级方解石最重要的用途之一就是加工起偏元件。如果不作任何处理，从方解石晶体出射的寻常光与非常光是相互平行的，而且虽然肉眼看去二者有着明显的分隔，但实际上距离还是比较近，不便使用。因此起偏元件通常会将其中一束光吸收（如尼科尔棱镜或格兰—汤姆生棱镜），或是让两束光进一步分开（如渥拉斯顿棱镜）。
由于在一篇关于天体偏振测量的综述论文中看到了渥拉斯顿棱镜的应用，因此先额外介绍一下这种元件的结构。简单说来，渥拉斯顿棱镜由两个直角棱镜组成，两个直角棱镜的光轴彼此垂直，在斜面处贴在一起。一束入射光先经由下图中左侧的棱镜分解为方向平行的寻常光和非常光，然后由于光轴旋转的缘故，在两棱镜界面处两束光发生身份互换。由于方解石对寻常光和非常光的折射率不同，因此两束光最后可以分开较远的距离，从右侧的棱镜中射出。后面会提到，渥拉斯顿棱镜保持寻常光和非常光这两束（而非一束）出射光的特性对于天体辐射偏振测量来说很重要，至少是可以大大简化流程。
在天文学中，偏振测量常用的是I、Q、U、V四个Stokes参量。这其中I是偏振光强，Q是两个相互垂直的方向x和y上电矢量的强度之差，U可以理解为电矢量的两个分量在对角方向与x、y方向上的差异，而V对应圆偏振度。如果只讨论线偏振，测量前三个参量足矣。
在定义好Stokes参量的参考系之后，设南北向坐标轴为x轴，只要测量与x轴成不同夹角φ处的I(φ)，情况就可以继续简化了。只需测量在0度、45度、90度与135度处的I(φ)，就可以方便地导出前三个Stokes参量：
文中介绍的天体偏振测量方法是结合渥拉斯顿棱镜与半波片使用的。后者是一种延迟器件，它的作用是在寻常光与非常光之间引入180度的相对相位差，其更直观的作用在于旋转偏振面。在实际操作中，二者的配套使用让测量方法变得非常简单，只要将半波片转至所需的0度/90度以及45度/135度处，分别为目标天体拍摄棱镜出射的寻常光与非常光图像，并比较相应位置两图像的强度差即可。如果需要测量圆偏振度V，那么就需要先借助1/4波片，将圆偏振信号转化为线偏振，然后就是用类似的方法进行分析了。
就太阳（包括恒星）观测而言，偏振测量最重要的应用是求算天体磁场。磁场中的原子谱线会一分为三，这就是所谓的（正常）塞曼效应。除了线距与磁场强度成正比之外，塞曼效应的另一个特点就是分裂后的三条子线偏振特性彼此不同，若视线方向垂直于磁场，则三线皆具备线偏振特性，中心线偏振方向与磁场平行，两侧的子线与磁场垂直。若视线与磁场平行，则只可见两侧的子线，且二者皆有圆偏振特性。因此若能籍由方解石棱镜对太阳上某些区域的某些特定谱线进行偏振测量，就可以给出太阳磁场强度和指向的相关信息了。在实际操作中，据说经常使用的是某些特定的分子荧光线，如C2或MgH等。
起偏元件在太阳观测中的另一大应用是测量太阳振荡，SOHO搭载的低频日震监测仪器GOLF就是成功的范例。这台仪器只允许钠元素双线附近的很窄波段光线通过，入射光经由一对1/4波片以及一台起偏器转化为圆偏振光。若将波片相对起偏器的位置旋转90度，并测得两处圆偏振光的强度，就可以推出钠线的本征圆偏振度，既可以由此导出太阳磁场信息，又可以直接与日面速度场对应起来。
GOLF的结构图，图中左半部分的元件左起分别为滤光片、1/4波片QP1、透镜L1、起偏器P1与1/4波片QP2。（图片提供：GOLF/SOHO）
考证至此，大致的原理已经明确了。估计本人这位石友的亲戚参与建造的还是太阳磁场测量设备吧，毕竟那是很多年之前的事情了，当时国内压根没有测量日震的仪器（现在呢？嗯，其实这个问题本人也说不清楚）。这样看来，采集来的方解石并非直接用于太阳望远镜的建造，只是终端仪器所用的。据说其所需的方解石面积不小，由于天然纯净晶体体积有限，往往需要多块原料拼接才是。要问既然如此，为何不去直接使用合成双折射材料？这是因为人工材料往往均匀度还不及天然，故非首选。不过具体到这台仪器，它究竟安装在哪里，所用光路究竟如何？那就不得而知了，也并不在本文关心的范围之内。
