偏振光学和应用详解

偏振定义和表示方法

光是一种电磁波，其电场和磁场的振动方向相互垂直，而我们把电场的振动方向定义为光的偏振方向。偏振可分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。

电场方向定义偏振方向

对于线偏振光，电场始终沿一个特定的方向振动。在下面第一个动态图中，如果取Z轴上的某一点，就是红线的位置，可发现电场一直沿Y轴振动，所以这是Y方向的线偏振光。线偏振光可分解成两个正交偏振分量。它们的振幅可能不同，但相位差为0或180度。

对于圆偏振光，电场的振动轨迹可追溯出一个圆。在下面第二个动态图中，如果面向光源看去，Z轴上某个点上的电场一直以顺时针旋转，所以这是右旋圆偏振光；反之为左旋圆偏振光。圆偏振光也能分解成两个正交分量。它们的振幅相同，而且相位差为90或-90度，分别对应于右旋或左旋。

对于椭圆偏振，电场的振动轨迹是一个椭圆，方向定义和圆偏振相同。两个正交偏振分量的振幅不一定相等，相位差也不一定是特殊角度。

线偏振

圆偏振

椭圆偏振

偏振态有两种图形表示方法。

平面表示法：在二维直角坐标系下画一个椭圆，并人为规定它是右旋的。椭圆长轴和x轴的夹角ψ叫做方位角，而椭圆度χ取决于短轴和长轴之比。

邦加球：对于绿色箭头所示的偏振矢量，它与赤道平面的夹角等于2χ，而它在赤道平面的投影与S₁轴的夹角等于2ψ。

偏振椭圆

邦加球

对于线偏振和圆偏振：

• 椭圆度χ = 0度时，椭圆变成一条线，对应于邦加球的赤道。方位角ψ从0到180度的变化相当于绕赤道旋转一圈。因此，邦加球的赤道表示不同方向的线偏振。
• 椭圆度χ = ±45度时，椭圆变成右旋或左旋的圆，对应于邦加球的北极或南极点。这就是右旋和左旋圆偏振所处的位置。

本文开头的视频从3分45秒起形象地演示了不同偏振态对应的椭圆、邦加球位置以及斯托克斯参数。Thorlabs PAX1000系列偏振态测量仪能实时测量光束偏振，通过软件界面同时展示偏振椭圆和邦加球的测量结果，还包含功率、偏振度、方位角、椭圆度和斯托克斯参数等等。

偏振光学组件

1. 偏振片用于滤出偏振方向平行于透光轴的线偏振光。Thorlabs偏振片的种类包括薄膜型、线栅型和晶体型等等。

偏振片把非偏振光变成线偏振光

偏振片的一个重要参数是消光比(ER)。当非偏振光入射在偏振片上时，沿偏振轴透过的光与垂直于偏振轴透过的光之比为消光比。比值越高，透过的线偏振光越纯。普通经济型偏振片的消光比一般在1000:1以上，而薄膜偏振片和晶体偏振片的消光比更高，可达10^5:1甚至10^7:1以上。

偏振片的其它参数和特性还有透过率，也就是沿偏振轴方向的透过率；通过和阻挡两个方向上的损伤阈值，也就是平行或垂直于偏振轴两个方向上能承受的最大功率密度；透射波前误差；前后表面的平行度；清晰标记的偏振透光轴。

下表大致比较了三种偏振片的参数。

2. 波片是用于调控偏振方向的光学元件，由石英或液晶等双折射材料构成，比如通过对准石英的快轴和氟化镁的慢轴构成消色差波片；夹在两片玻璃之间的零级聚合物波片；通过单片石英晶体构成的多级波片；通过两片多级石英波片构成的零级波片。

双折射材料包含快慢两个主轴，沿快轴偏振的光比沿慢轴偏振的光具有更低的折射率，因此在波片中的传播速度更快。当一束偏振光进入波片传播时，沿快轴和慢轴的两个正交分量之间将出现延迟，在通过波片后合成不同的偏振。波片的延迟量通常是半波或四分之一波，而且是针对特定波长的，即使消色差波片也不能完全忽略波长的影响。

半波片常用于旋转偏振方向：输出和输入偏振的夹角等于输入偏振和波片光轴的夹角的两倍。四分之一波片常用于线偏振和圆偏振的转换。本文开头的视频从15分08秒起非常形象地描述了两种波片改变偏振方向的详细过程。

半波片改变偏振的示意图