光学偏振的基础常识

光学偏振的基础常识

内容摘要：1 光的偏振2 偏振的基础常识2.1 偏振的概念2.2 几种基本的偏振态A、椭圆偏振B、线偏振C、圆偏振2.3 光源的偏振分类2.4 偏振态间的转换2.5 P光、S光与布儒斯特角3 结语

1 光的偏振

光，有三个基本特性，分别是波长、强度和偏振。光的波长，容易理解，以常见的可见光为例，波长范围在380~780nm分布。光的强度，也容易理解，一束光是强还是弱，可以用功率大小来表征。相比之下，光的偏振特性是光的电场矢量振动方向的描述，既看不见又摸不着，所以通常不容易理解，然而，实际中，光的偏振特性同样非常的重要，在生活中也有广泛的应用，例如我们每天看的液晶显示器，就用到了偏振技术来实现颜色显示和对比度的调节，在电影院观看3D影片的时候，带的3D眼镜也应用到了光的偏振。对于从事光学工作的人员而言，对偏振现象做充分的理解，并在实际光学系统中加以应用，对于促进产品和项目的成功会非常有帮助。因此，从本篇开始，我们将用通俗易懂的描述来介绍光的偏振，从而使大家对偏振有深入的理解，并在工作中更好的加以应用。

2 偏振的基础常识

因为涉及到的概念比较多，我们分成几个小结来分步的介绍。

2.1 偏振的概念

我们知道，光是一种电磁波，如下图所示，电磁波由互相垂直的电场E与磁场B组成，两种波在各自的方向上振荡，并沿传播方向Z横向传播。

因为电场和磁场相互垂直，相位相同，且传播方向一致，因此，实际中通过分析电场的振动情况，来描述光的偏振。

如下图所示，电场矢量E可以分解为Ex矢量和Ey矢量，所谓偏振，就是电场分量Ex与Ey随时间和空间的振荡方向分布情况。

2.2 几种基本的偏振态

A、椭圆偏振

椭圆偏振是最基本的偏振态，此时两个电场分量具有恒定的相位差(一个传播的快，一个传播的慢)，且相位差不等于π/2的整数倍，振幅可以相同也可以不同。如果沿着传播方向看，电场矢量的端点轨迹轮廓线将画出一个椭圆，如下图所示：

B、线偏振

线偏振是椭圆偏振的一种特殊形式，此时两个电场分量没有相位差，电场矢量在同一个平面中振荡，如果沿着传播方向看，电场矢量的端点轨迹轮廓线是一段直线。如果两个分量的振幅相同，这就是下图所示的45度线偏振。

C、圆偏振

圆偏振也是椭圆偏振的一种特殊形式，此时两个电场分量具有90度相位差和相同的振幅，沿着传播方向看，电场矢量的端点轨迹轮廓线是一个圆，如下图所示：

2.3 光源的偏振分类

从普通光源直接发出的光，是无数偏振光的无规则集合，所以直接观察时不能发现光强偏于哪一个方向。这种在各个方向振动的光波强度都相同的光叫做自然光，它具有随机变化的偏振态和相位差，包括了垂直于光波传播方向的所有可能的振动方向，不显示出偏振性，属于非偏振光。常见的自然光包括太阳光，家用灯泡发出的光等。

完全偏振光具有稳定的电磁波振荡方向，电场的两个分量有恒定的相位差，它包括上述提到的线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。

部分偏振光，具有自然光和偏振光两种成分，例如我们经常用到的激光光束，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中的占比，引入偏振度的概念（DOP，Degree
of Polarization），它是偏振光强和总光强之比，范围从0到1，0表示非偏振光，1表示完全偏振光。另外，线偏振度(DOLP)是线偏振光强和总光强之比，而圆偏振度(DOCP)是圆偏振光强和总光强之比。生活中，常见的LED灯发出的也是部分偏振光。

2.4 偏振态间的转换

很多光学元件都会对光束的偏振态产生影响，这些影响有时候是使用者所期望的，有的时候并不是被期望的。例如，如果光束被反射时，它的偏振态通常会发生改变，以自然光为例，经由水面反射后，就会变成部分偏振光。

只要光束不被反射，或者不通过任何偏振介质，它的偏振态就保持稳定。如果要定量改变光束的偏振态，可以使用偏振光学元件来完成。例如，1/4波片是一种常见的偏振元件，它由双折射晶体材料制成，分为快轴方向和慢轴方向，且可以使平行于慢轴的电场矢量延迟π/2的相位（90°），而平行于快轴的电场矢量则没有延迟，这样一来，当线偏振光以45度的偏振角度入射到1/4波片时，透过波片的光束就变成了圆偏振光，示意图如下图所示，首先，用线偏振片将自然光变为线偏振光，然后线偏振光经过1/4波长，变为圆偏振光，且光强度不变。

同样，当光束反方向传播，圆偏振光以45度的偏振角度入射到1/4波片时，透过光束就变成了线偏振光。

利用在前面文章中提到过的积分球，可以把线偏振光变为非偏振光。线偏振光进入积分球后，在球内多次反射，电场的振动被打乱了，这样在积分球的输出端就得到了非偏振光。

2.5 P光、S光与布儒斯特角

P光和S光都是线偏振光，偏振方向相互垂直，它们在考虑光束的反射和折射的时侯才有意义。如下图所示，一束光照射到入射面上，形成反射和折射，将入射光束与法线所形成的平面定义为入射平面。P光（德文Parallel的首字母，意为平行的）是偏振方向与入射平面平行的光，而S光（德文Senkrecht的首字母，意为竖直的）是偏振方向与入射平面垂直的光。

一般情况下，自然光在电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，只有当入射角为某特定角度时，反射光的偏振态完全是与入射面垂直的S偏振，折射光的偏振态几乎都是与入射面平行的P偏振，此时的特定入射角称为布儒斯特角。光以布鲁斯特角入射时，反射光与折射光互相垂直。利用这一特性，就可以产生线偏振光了。

3 结语

在本文中，我们对光学偏振的基础常识做了介绍，光是一种电磁波，具备波动效应，偏振就是光波中电场矢量的振动情况。我们介绍了三种基本的偏振态，分别是椭圆偏振、线偏振和圆偏振，它们在日常工作中经常会被用到。按照偏振程度的不同，光源可以分为非偏振光，部分偏振光和完全偏振光，在实际中需要加以区分和判别。针对上述的几种偏振态，可以利用偏振元件对它们做相互转换，从而实现特定的功能。文章的最后，我们介绍了P光，S光和布儒斯特角的概念，他们在分析线偏振时也经常被提及。