偏振定義和表示方法

光是一種電磁波，其電場和磁場的振動方向相互垂直，而我們把電場的振動方向定義為光的偏振方向。偏振可分為線偏振、圓偏振和橢圓偏振。

電場方向定義偏振方向

對于線偏振光，電場始終沿一個特定的方向振動。在下面第一個動態圖中，如果取Z軸上的某一點，就是紅線的位置，可發現電場一直沿Y軸振動，所以這是Y方向的線偏振光。線偏振光可分解成兩個正交偏振分量。它們的振幅可能不同，但相位差為0或180度。

對于圓偏振光，電場的振動軌跡可追溯出一個圓。在下面第二個動態圖中，如果面向光源看去，Z軸上某個點上的電場一直以順時針旋轉，所以這是右旋圓偏振光；反之為左旋圓偏振光。圓偏振光也能分解成兩個正交分量。它們的振幅相同，而且相位差為90或-90度，分別對應于右旋或左旋。

對于橢圓偏振，電場的振動軌跡是一個橢圓，方向定義和圓偏振相同。兩個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。

線偏振

圓偏振

橢圓偏振

偏振態有兩種圖形表示方法。

平面表示法：在二維直角坐標系下畫一個橢圓，并人為規定它是右旋的。橢圓長軸和x軸的夾角ψ叫做方位角，而橢圓度χ取決于短軸和長軸之比。

邦加球：對于綠色箭頭所示的偏振矢量，它與赤道平面的夾角等于2χ，而它在赤道平面的投影與S?軸的夾角等于2ψ。

偏振橢圓

邦加球

對于線偏振和圓偏振：

• 橢圓度χ = 0度時，橢圓變成一條線，對應于邦加球的赤道。方位角ψ從0到180度的變化相當于繞赤道旋轉一圈。因此，邦加球的赤道表示不同方向的線偏振。
• 橢圓度χ = ±45度時，橢圓變成右旋或左旋的圓，對應于邦加球的北極或南極點。這就是右旋和左旋圓偏振所處的位置。

本文開頭的視頻從3分45秒起形象地演示了不同偏振態對應的橢圓、邦加球位置以及斯托克斯參數。Thorlabs PAX1000系列偏振態測量儀能實時測量光束偏振，通過軟件界面同時展示偏振橢圓和邦加球的測量結果，還包含功率、偏振度、方位角、橢圓度和斯托克斯參數等等。

偏振光學組件

1. 偏振片用于濾出偏振方向平行于透光軸的線偏振光。Thorlabs偏振片的種類包括薄膜型、線柵型和晶體型等等。

偏振片把非偏振光變成線偏振光

偏振片的一個重要參數是消光比(ER)。當非偏振光入射在偏振片上時，沿偏振軸透過的光與垂直于偏振軸透過的光之比為消光比。比值越高，透過的線偏振光越純。普通經濟型偏振片的消光比一般在1000:1以上，而薄膜偏振片和晶體偏振片的消光比更高，可達10^5:1甚至10^7:1以上。

偏振片的其它參數和特性還有透過率，也就是沿偏振軸方向的透過率；通過和阻擋兩個方向上的損傷閾值，也就是平行或垂直于偏振軸兩個方向上能承受的最大功率密度；透射波前誤差；前后表面的平行度；清晰標記的偏振透光軸。

下表大致比較了三種偏振片的參數。

2. 波片是用于調控偏振方向的光學元件，由石英或液晶等雙折射材料構成，比如通過對準石英的快軸和氟化鎂的慢軸構成消色差波片；夾在兩片玻璃之間的零級聚合物波片；通過單片石英晶體構成的多級波片；通過兩片多級石英波片構成的零級波片。

雙折射材料包含快慢兩個主軸，沿快軸偏振的光比沿慢軸偏振的光具有更低的折射率，因此在波片中的傳播速度更快。當一束偏振光進入波片傳播時，沿快軸和慢軸的兩個正交分量之間將出現延遲，在通過波片后合成不同的偏振。波片的延遲量通常是半波或四分之一波，而且是針對特定波長的，即使消色差波片也不能完全忽略波長的影響。

半波片常用于旋轉偏振方向：輸出和輸入偏振的夾角等于輸入偏振和波片光軸的夾角的兩倍。四分之一波片常用于線偏振和圓偏振的轉換。本文開頭的視頻從15分08秒起非常形象地描述了兩種波片改變偏振方向的詳細過程。

半波片改變偏振的示意圖