光子学设计基础：偏振的重要性

当然，由式（1.1）给出的麦克斯韦（Maxwell）波动方程关于E和H的简单正弦解是无穷个解中惟一的一组解。此时，E和H位于xy平面内的任意方向，ω取任意值（希望是零）。

对于一般的电磁波性质，习惯上重点考虑电场，原因是电场对原子内电荷的作用要比磁场更直接。然而，电磁波E和H场之间存在对称性，就意味着对电场得到的结论完全适合于磁场，所以，处理两者中的一个而非两个就会既简单又方便。

假设一束传播波的电场和磁场分量是正交的，具有相同的频率但相位不同（见图1.3a），有：

E_x=e_xcos（ωt-kz+δ_x）

E_y=e_ycos（ωt-kz+δ_y）

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图1.3　椭圆偏振特殊情况的线偏振和圆偏振

由图1.3所示可以看出，在此得到的电场在波的传播过程中是旋转的，由此产生的矢量端（一般地）环绕成一个椭圆形。考虑一个特定的z值会有同样的性质，并且，可以把矢量的端部看作瞬时传播，这类波就是椭圆偏振。（实际上，“偏振”一词与两个具有一定间隔的不同极轴联系在一起并不恰当。其出发点是：把光微粒视为具有不同端部的杆状物，从而在早期的微粒学说范畴内解释晶体的光学效应，并且，该概念也保留了下来。）比较令人感兴趣的是，椭圆转化成直线或圆的两种特殊情况（见图1.3b和图1.3c），分别是众所周知的线偏振态和圆偏振态。其重要性在于，任何给定的椭球状态都可以分解成圆分量和线分量，从而分别进行处理。例如，当e_x=0或e_y=0，或当δ_y-δ_x=mπ时，是线偏振光；只有e_x=e_y，并且δ_y-δ_x=（2m+1）π/2时，才是圆偏振光。其中，m是正或负的整数，圆偏振要求分量波具有相等振幅，且相位正交。一种可感觉和辨认的偏振波完全取决于两个分量保持固定的相位和振幅关系。所有这些思想都会在本书第3章做进一步阐述。

无论从那一方面讲，光波的偏振性质都是非常重要的。例如，在具有方向性的晶体介质中，光的传播取决于其相对于晶轴的偏振态，利用该性质可以探查晶体结构，或者控制光通过晶体的状态。此外，利用光的偏振态可以观察施加在电子上的约束特性。

在任何情况下，光传播的介质都有方向性，光的偏振态与介质相互作用是一种特别有用的属性，有许多重要应用。