作者：GCNASH

光的偏振定義

光的偏振（polarization of light）：振動方向對於傳播方向的不對稱性叫做偏振，它是橫波區別於其他縱波的一個最明顯的標誌。光波電矢量振動的空間分佈對於光的傳播方向失去對稱性的現象叫做光的偏振。只有橫波才能產生偏振現象，故光的偏振是光的波動性的又一例證。在垂直於傳播方向的平面內，包含一切可能方向的橫振動，且平均說來任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動對稱於傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動失去這種對稱性的光統稱偏振光。

分類

偏振光分為完全偏振光和部分偏振光。完全偏振光又可以分為線偏振光，圓偏振光和橢圓偏振光。

圖1 自然光和部分偏振光

圖2 三種偏振光的偏振態

幾種偏振狀態說明

線偏振光：在光的傳播過程中，只包含一種振動，其振動方向始終保持在光的偏振同一平面內，這種光稱為線偏振光（或平面偏振光)。

圖3 線偏振與圓偏振對比

圓偏振光：旋轉電矢量端點描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光的特殊情形。在我們的觀察時間段中平均后，圓偏振光看上去是與自然光一樣的。但是圓偏振光的偏振方向是按一定規律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機的，沒有規律的。

橢圓偏振光：在光的傳播過程中，空間每個點的電矢量均以光線為軸作旋轉運動，且電矢量端點描出一個橢圓軌跡，這種光稱為橢圓偏振光。迎著光線方向看，凡電矢量順時針旋轉的稱右旋橢圓偏振光，凡逆時針旋轉的稱左旋橢圓偏振光。橢圓偏振光中的旋轉電矢量是由兩個頻率相同、振動方向互相垂直、有固定相位差的電矢量振動合成的結果。

圖5 橢圓偏振光

部分偏振光: 光波包含一切可能方向的振動，但不同方向上的振幅不等，在兩個互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，這種光稱為部分偏振光。自然光和部分偏振光實際上是由許多振動方向不同的線偏振光組成。

偏振光的檢測

想要分辨偏振態的話檢偏器是不可缺少的。當一束光通過檢偏器，轉動檢偏器，出現消光現象的，可以斷定這束光是線偏振光；如果旋轉檢偏器光強沒有發生變化，可以看出，圓偏振光和自然光都會有這種現象，也就是說我們不可以分辨出這兩種偏振態；如果旋轉檢偏器光強有強弱變化，那麼可以斷定這束光要麼是部分偏振光，要麼是橢圓偏振光。通過上面的分析我們看到一個檢偏器可以把一束未知光束分成三組：

現在的矛盾聚焦在了如何區分剩下的兩組偏振態。橢圓偏振光和圓偏振光都是脫胎於線偏振光的，由線偏振到橢圓或者圓偏振引入了一件神器—1/4波片。俗話說解鈴還須繫鈴人，想要分辨出這兩組偏振態還得請出1/4波片。

如何分辨自然光和圓偏振光:

在檢偏器之前加一個1/4波片，它就會把圓偏振還原成線偏振光，而1/4波片對自然光沒影響，我們再轉動檢偏器，如果光束還是沒有產生消光現象，那麼這束光就是自然光了，反之就是圓偏振光。

如何分辨部分偏振光和橢圓偏振光:

還是利用老方法，把橢圓偏振光還原成線偏振光來檢驗，這需要注意了偏振片停留在透射光強度最大的位置，在偏振片前插入1/4波片，使波片的光軸與偏振片的投射方向平行，再次轉動偏振片會若出現消光現象，即為橢圓偏振，即橢圓偏振片變為線偏振光；若還是不出現消光，則為部分偏振光。

偏振片及波片簡介

偏振片

自然光是非偏振光，它包括各個方向振動的光線。自然光通過偏振片，可獲得偏振光，這是獲得偏振光最簡便的方法之一。偏振片有一個透過軸和一個吸收軸，二者互相垂直。偏振片只允許振動方向與透過軸一致的光線通過，其它振動方向的光線被吸收，通過的光線稱為線偏振光。偏振片由二向色性材料製成，天然晶體中的電氣石就具有強烈的二向色性。人造材料也可以製作偏振片，例如，利用聚乙烯醇加入碘和碘化鉀作為二向色介質，延伸製成偏振片，現在常用的偏振片均是由這種二向色性聚乙烯醇薄膜製成的。偏振片的透光軸應在偏振片的產品說明書上標出，以便與其它元件匹配使用。自然光經過偏振片變為偏振光的原理如圖6所示。

圖6 自然光經過偏振片轉換偏振光

偏振片成品並非是一層薄片，而是以偏振薄膜為基本材料，在其兩側加有保護膜及粘接劑，其結構如圖7所示。

圖7 偏振片結構

1/2波片

波片一般分為全波片、1/2波片、1/4波片、1/8波片、5/8波片等等。以通過光線的主波長來標誌波片的規格，例如，主波長為400nm的1/2波片。這些不同的波片都能使入射的偏振光產生相位延遲，從而改變偏振態，所以波片又稱為相位延遲器（Retarder）。

當一束線偏振光通過波片時，在波片中分解成振動互相垂直的尋常光o和非尋常光e，相應的折射率為no、ne，由於兩種光的光速是不同的，因而會產生相位差，相位差的大小除與折射率差值有關外，還與波片厚度有關，其關係式為：

若產生的相位差δ為π的奇數倍，即：

則此時的波片稱為1/2 波片。相位差為π的奇數倍時，其光程差即為半波長的奇數倍。可導出1/2 波片的厚度d：

由於o光和e光的光速在1/2 波片中不同，因此稱光速快的光矢量方向為快軸，與其垂直的光矢量方向為慢軸。在1/2 波片的產品說明書中應標出快軸（或慢軸）方向，以便與其相匹配的其它光學元件正確配置與安裝。1/2 波片多用於 LCD、LCo S 光學引擎中，用來改變偏振光振動方向。在線偏振光的光路中插入一個1/2 波片，若原線偏振光的振動方向與1/2 波片快軸（或慢軸）之間的夾角為θ，則經過1/2 波片后，原線偏振光的振動方向旋轉過2θ，如圖8所示。

圖8 1/2波片工作原理

若 θ=45°，則原線偏振光經過1/2 波片后，振動方向旋轉90°。這種功能應用在 PCS 系統中，能將P偏振光轉換成S偏振光。例如，在 P偏振光的光路中配置一片1/2 波片，當P光振動方向與1/2波片快軸的夾角為45°時，則會使 P光旋轉90°，從而轉變為S光。1/2 波片可用雲母、石英等晶體材料製成，其厚度分別約為0.07mm、0.034mm，這樣的薄片非常難加工，且易碎裂。

現多改用聚乙烯醇膜等非晶體材料拉伸製成，不僅不易碎裂，而且可做成大面積的1/2波片，任意裁切，厚度約為0.25mm，按照要求角度粘貼在相匹配的光學元件上。最後指出，如果是自然光射入1/2 波片，則出射光仍為自然光，不起旋光作用。一定是偏振光射入1/2 波片，才能起到改變偏振態的作用。線偏振光入射時，出射光仍為線偏振光，振動方向旋轉2θ角；而圓偏振光入射時，出射光仍為圓偏振光，只是旋向與原來相反（左旋變為右旋，或右旋變為左旋）。

1/4波片

1/4 波片與1/2 波片相似，線偏振光通過1/4 波片也產生相位差δ，其值為 π/2 的奇數倍，即：

其中厚度d：

1/4 波片的產品說明書中也應標明其快軸(或慢軸)方向，因為該波片一般與偏振片配套使用。由偏振片出射的線偏振光，再射入1/4 波片，透過該波片后要改變偏振態。假設射入的線偏振光的振動方向與1/4 波片快軸的夾角為θ：

當θ=0°時，線偏振光透過該波片后仍為線偏振光，偏振態不改變；

當θ=±90°時，線偏振光透過該波片后仍為線偏振光，偏振態也不改變；

當θ=±45°時，線偏振光透過該波片后，改變為圓偏振光，如圖9所示；

圖9 1/4波片工作原理

當θ為其它數值時，線偏振光透過該波片后變為橢圓偏振光。

運營人員：吳佳哲

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