光的偏振现象及其应用

1）光的偏振性

光波是电磁波，光波的传播方向是电磁波的传播方向，其电矢量E 的振动方向和磁矢量H 的振动方向都与传播速度v 垂直，因此光波是横波.在光与物质的相互作用过程中，起主要作用的是电矢量E，而大多数物质的磁性几乎不变，所以，光在这些介质中传播时，只需要考虑其电矢量的振动，并将E 矢量称为光矢量.

由于横波的振动方向垂直于传播方向，因此只有横波才会出现偏振现象.光的振动方向对于传播方向的不对称性，称为光的偏振.光在传播过程中，光矢量在与传播方向垂直的平面内可能有不同的振动状态，常见的光的偏振态有自然光、线偏振光和部分偏振光.

如果光在传播过程中电矢量的振动平均对于传播方向形成轴对称分布，哪个方向都不比其他方向更为优越，即在轴对称的各个方向上电矢量的时间平均值是相等的，这种光称为自然光.如果电矢量的振动只限于某一确定的平面内，这种光称为平面偏振光.由于平面偏振光的电矢量在与传播方向垂直的平面上的投影是一条直线，所以又称为线偏振光.电矢量和传播方向所构成的平面称为偏振光的振动面.如果偏振光的电矢量的振幅在不同的方向有不同的大小，这种偏振光称为部分偏振光.

2）自然光与线偏振光

光是由原子或离子在跃迁过程中产生的.任何一个发光体都包含大量的原子，每个原子每次发射的是一个线偏振波列，各个原子的发光是一个随机过程，各个发光原子之间没有任何关联.不同原子发出的光波，都有随机的传播方向、振动方向、初相位和频率.因此，在同一时刻观测大量发光原子发出的波列，相互间没有相位关联，它们的电矢量E 可以分布在轴对称的一切可能的方向，没有哪一个方向占优势，即在所有可能的方向上，E 的振幅都相等.所以普通光源发出的都是自然光，例如日光、灯光、热辐射发光等.自然光是由轴对称分布、没有固定相位的大量线偏振光的集合而成，如图12.54（a）所示.它可以用两个强度相等、振动方向垂直的线偏振光来表示，如图12.54（b）所示.为方便表示，通常以点和带箭头的短线分别表示垂直纸面和在纸面内的光振动，这两个振动方向都与光的传播方向垂直，如图12.54（c）所示.对自然光来说，两个方向振动的强度相等，因此图中点和短线的数目也相等.需要注意的是，由于自然光中各个光矢量的振动都是相互独立的，所以图12.54（b）中所示的两个垂直光矢量分量之间并没有恒定的相位差，不能将它们合成为一个单独的矢量.因此，自然光相当于被分解为两个强度相等、振动方向垂直且相互独立的线偏振光了，这两个线偏振光的强度各占自然光光强的一半.

图12.54　自然光

如前所述，线偏振光也可以用点或带箭头的短线表示.如图12.55（a）、（b）所示，分别表示振动方向在纸面内和垂直纸面的线偏振光.(www.xing528.com)

3）部分偏振光

如果光的偏振性介于自然光和线偏振光之间，则是部分偏振光，如图12.56（a）所示.图12.56（b）和图12.56（c）分别表示在纸面内振动较强和垂直纸面振动较强的部分偏振光.部分偏振光的电矢量的振幅在不同的方向有不同的大小，其中在某一个方向上能量具有最大值，表示为Imax，在与其垂直的方向上能量具有最小值，记为Imin，通常用

图12.55　线偏振光

图12.56　部分偏振光

表示偏振的程度，P 称为偏振度.可以看出0 ≤P ≤1.当Imax ＝Imin时，P ＝0，这就是自然光，因此，自然光是偏振度等于0 的光，也称为非偏振光；当Imin ＝0 时，P ＝1，就是线偏振光，所以，线偏振光是偏振度最大的光，也称为全偏振光.部分偏振光可以看作自然光与线偏振光的叠加.