光学偏振的基础知识
光学偏振的基础知识
本文是一篇关于光学偏振基础知识的科普文章，从光的三个基本特性引入，重点介绍了偏振的基本概念、几种基本偏振态（椭圆偏振、线偏振、圆偏振）、光源的偏振分类、偏振态之间的转换以及P光、S光和布鲁斯特角等知识点。文章配有相关示意图，有助于理解抽象的物理概念。
一、总结
光的偏振是光的三个基本特性之一，另外两个是波长和强度。光的波长范围为380~780nm，光的强度可以通过功率大小来表征。相比之下，光的偏振特性是对光的电场矢量振动方向的描述，它在生活中有着广泛的应用，比如液晶显示器和3D电影眼镜等。充分了解偏振及其在实际光学系统中的应用对于促进产品和项目的成功将非常有帮助。
二、偏振的基本知识
2.1 极化的概念
光是一种电磁波，由相互垂直的电场E和磁场B组成。实际中光的偏振是通过分析电场的振动来描述的。电场矢量E可以分解为Ex矢量和Ey矢量，所谓极化就是电场分量Ex和Ey的振荡方向在时间和空间上的分布。
图1：电磁波的电场和磁场示意图
图2：电场矢量的分解示意图
2.2 几种基本偏振态
- 椭圆偏振：椭圆偏振是最基本的偏振态，其中两个电场分量具有恒定的相位差，且相位差不等于π/2的整数倍，且振幅可以相同或不同。如果沿着传播方向看，电场矢量端点轨迹的轮廓线会画出一个椭圆。
图3：椭圆偏振示意图
- 线偏振：线偏振是椭圆偏振的一种特殊形式，当两个电场分量没有相位差时，电场矢量在同一平面内振荡，如果沿传播方向看，电场矢量端点轨迹轮廓为一条直线。如果两个分量具有相同的幅度，这就是下图所示的 45 度线性偏振。
图4：线偏振示意图
- 圆偏振：圆极化也是椭圆极化的一种特殊形式，当两个电场分量相差90度且幅值相同时，沿传播方向，电场矢量的端点轨迹为圆。
2.3 光源的偏振分类
自然光：普通光源直接发出的光是无数偏振光的不规则集合，因此直接观察时无法发现光强偏向哪个方向。这种向各个方向振动的光波强度称为自然光，它具有随机变化的偏振态和相位差，包括垂直于光波传播方向的所有可能的振动方向，不表现出偏振，属于非偏振光。常见的自然光包括阳光、家用灯泡发出的光等。
全偏振光：全偏振光具有稳定的电磁波振荡方向，电场的两个分量具有恒定的相位差，它包括上述的线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。
部分偏振光：部分偏振光有自然光和偏振光两种成分，比如我们常用的激光束，它既不是完全偏振光，也不是非偏振光，那么它就属于部分偏振光。为了量化偏振光在总光强度中所占的比例，引入了偏振度（DOP）的概念，它是偏振光强度与总光强度的比值，范围为0到1，非偏振的范围为0到1，0光，1 表示全偏振光。另外，线偏振（DOLP）是线偏振光强度与总光强度的比值，而圆偏振（DOCP）是圆偏振光强度与总光强度的比值。生活中，常见的LED灯发出部分偏振光。
2.4 偏振态之间的转换
许多光学元件都会对光束的偏振产生影响，这有时是用户预期的，有时却是用户预期之外的。例如，如果一束光被反射，它的偏振通常会发生变化，在自然光的情况下，通过水面反射，它会变成部分偏振光。
只要光束不被反射或穿过任何偏振介质，其偏振状态就保持稳定。如果想要定量改变光束的偏振状态，可以使用偏振光学元件来实现。例如，四分之一波片是常见的偏振元件，它由双折射晶体材料制成，分为快轴和慢轴方向，可以延迟平行电场矢量π/2（90°）的相位。到慢轴，而平行于快轴的电场矢量没有延迟，这样当线偏振光以45度偏振角入射到四分之一波片时，通过波片的光束变成圆偏振光。
图6：线偏振光通过四分之一波片变成圆偏振光示意图
同样，当光束向相反方向传播，圆偏振光以45度偏振角射到1/4片上时，通过的光束就变成线偏振光。积分球可以将线偏振光变为非偏振光。线偏振光进入积分球后，在球内反射多次，扰乱电场的振动，从而使积分球的输出端得到非偏振光。
2.5 P光、S光、布鲁斯特角
P 光和 S 光都是线偏振的，偏振方向彼此垂直，在考虑光束的反射和折射时它们很有用。如下图所示，一束光线照射在入射平面上，形成反射和折射，入射光束与法线形成的平面定义为入射平面。 P光（Parallel的第一个字母，意思是平行）是偏振方向与入射面平行的光，S光（Senkrecht的第一个字母，意思是垂直）是偏振方向与入射面垂直的光。
图7：P光和S光示意图
一般情况下，自然光在介质界面上反射和折射时，反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为特定角度时，反射光的偏振态才完全垂直于入射角。平面S偏振，折射光的偏振状态几乎与入射平面P偏振平行，此时的具体入射角称为布儒斯特角。当光以布儒斯特角入射时，反射光和折射光彼此垂直。利用这一特性，可以产生线偏振光。
三、结论
本文介绍了光学偏振的基本知识，光是一种电磁波，具有波动效应，偏振是光波中电场矢量的振动。我们介绍了日常工作中经常用到的三种基本偏振态，椭圆偏振、线偏振和圆偏振。根据偏振程度的不同，光源可分为非偏振光、部分偏振光和全偏振光，在实际应用中需要加以区分和判别。