大学物理：光的偏振状态

1.偏振现象与横波

在机械波中，按着波的传播方向和振动方向的关系，把波分为横波和纵波两种基本类型。横波和纵波在某些方面的表现是不同的。如图5—21所示，在波的传播方向放置一个狭缝AB，对横波来说：若波的振动方向与狭缝方向一致，则波动可以通过狭缝向前传播，如图5—21（a）所示；若波的振动方向与狭缝方向垂直，波动则不能通过狭缝向前传播，如图5—21（b）所示。但是对纵波来说，不管狭缝的方向如何，总能通过它继续向前传播，如图5—21（c）（d）所示。

图5—21　机械横波与纵波的区别

横波在这里表现出来的性质叫偏振性，纵波则不具有这种性质，不会产生偏振现象。所以说偏振是横波所特有的性质。

2.自然光偏振光

光是一种电磁波。在这种电磁波中，能够产生感光作用和视觉作用的是电场强度E。因此称E的周期变化为光振动，称E矢量为光矢量（light vector）。光矢量与光的传播方向相垂直。一个原子或分子在某一时刻发出的光是偏振的，初位相也是确定的。但是，由于光源是由数目极多的原子、分子组成，感受到的光是大量彼此无关的原子或分子辐射电磁波的总和。这些大量分子或原子所发生的光波，不仅位相彼此无关，它们的振动方向也是杂乱无序、瞬息万变的。从宏观来看，入射光中包含了所有方向的振动，也就是说，实际光源所发出的光振动必然是在垂直于光速方向的平面内取各种可能的方向，没有一个方向比其他方向更占优势。并且，各方向光振动的振幅的平均值完全相等。具有这些特点的光叫自然光（natural light），如图5—22所示。自然光是非偏振的。

图5—22　自然光中E振动的对称分布(www.xing528.com)

任一方向的光矢量E都可以分解为在相互垂直的两个方向上的分矢量。由于自然光的对称性，各种取向的光矢量在这两个方向分解的结果，可简便地把自然光作为两个独立的、互相垂直而振幅相等的光振动来表示，如图5—23（a）所示。组成自然光的各光矢量之间没有固定的位相关系，任意两个取向不同的光矢量不能合成为一个光矢量，表示自然光的两个互相垂直的振动之间也没有固定的位相关系，因而也不能合成为一个光矢量。这种图示只是一种表示方法。由于对称性，这两个振动的平均能量相等，各具有自然光总能量的一半。图5—23（b）中用短线和黑点分别表示两个相互垂直的光振动，画成均等分布表示两者振幅相等、能量相等。

图5—23　自然光的表示法

如果一束光中只含有一个具有确定方向的振动，这种光称为线偏振光（linearly polarized light），简称偏振光，如图5—24（a）所示。偏振光的振动方向与传播方向组成的平面叫作振动面。若光线中某一方向的光振动比与之相垂直方向的光振动占优势，这种光叫部分偏振光（partial polarized light），如图5—24（b）所示。如果能用某种装置除掉自然光中某一方向的光振动，则可得到线偏振光；如果能减弱某一方向的光振动，则可得到部分偏振光。

图5—24　偏振光示意图

3.起偏器　检偏器

把自然光变为偏振光的装置称为起偏器（polarizer）。后面将要介绍的偏振片、玻璃片堆等都是起偏器。起偏器不但可以使自然光成为偏振光，而且也可以用来检查某一光是否为偏振光。用来检查偏振光的装置叫检偏器（analyzer），所以起偏器也可以用作检偏器。