光的偏振态基本概念

光是横波，光的振动方向应始终与光的传播方向垂直。但是，在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量还可以有不同的振动状态，我们称在垂直于光传播方向的二维平面内，光矢量的振动状态叫做光波的偏振态。

光波按偏振态来划分，可分为三大类：

（1）自然光；

（2）完全偏振光；

（3）部分偏振光。

1、自然光

普通光源中包含许许多多分子和原子，不同的原子或分子所发光波，或同一原子不同时刻所发光波，其振动方向振幅，初始相位各不相同。

在垂直于光传播方向的平面内，在观测最小时间间隔内，光振动在各个方向的几率相同，没有那一个方向占更大优势，我们称这种光为自然光。

用来表示垂直于光传播方向的平面内,光振动方向的矢量图，叫做迎光矢量图。

该图表示迎着光传播方向看到的光振动的情况。

在迎光矢量图上，自然光是一些均匀分布的辐射线。

自然光等效为两振幅相等、互相垂直的、无相位关系的线偏振光。

2、完全偏振光

完全偏振光分三种：

（1）线偏振光

这种偏振光，光振动电矢量总是在一个固定的平面内，所以这种偏振光又叫做平面偏振光。在与光传播方向垂直的平面内，电矢量端点的轨迹是一条直线光振动只改变振幅大小，不改变方向。

右图中线段表示光振动平行于图面的线偏振光，点子表示光振动垂直于图面。画出相同的点和线段表示自然光，用来表示各个方向光振动几率相同。

在迎光矢量图上，线偏振光是一直线。

（2）圆偏振光

在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的大小不变，但随时间以角速度旋转，其末端的轨迹是圆，这种光叫做圆偏振光。在某一固定时刻t0，在传播方向上各点对应的光矢量的端点轨迹是螺旋线。随着时间推移，螺旋线以相速前移。

若圆偏振光的光矢量随时间变化是右旋的，则这种圆偏振光叫做右旋圆偏振光。反之，叫做左旋圆偏振光。若光矢量在时间上是右旋的，则在空间上一定是左旋，即“空左时右”。

在垂直于光传播方向的平面内，右旋圆偏振光的电矢量随时间变化顺时针旋转。

右旋圆偏振光在三维空间中电矢量左旋。

（3）椭圆偏振光

在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的方向和大小都在随时间改变，光矢量的端点描出一个椭圆，这样的偏振光叫做椭圆偏振光。

左旋椭圆偏振光电矢量随时间逆时针旋转。

以上三种偏振光称为完全偏振光，可以由两个互相垂直的，有相位关系的，同频率的线偏振光合成。反之，一完全偏振光也可以分解为两个任意方向，相互垂直，有相位关系的同频率的线偏振光。

设两线偏振光沿z方向传播，在的平面内，两光振动表达式为

将两方程消去t，电矢量端点的轨迹方程。

式中，为两线偏振光的振幅，为两线偏振光在点的相位差，它们决定了合成偏振光的偏振态。

下图是不同的相位差对应的偏振态

（1）当  时，合成指向 1，3 象限的线偏振光。

当 时，合成指向 2，4 象限的线偏振光。

（2）当，且时，合成（正）椭圆偏振光。

当，且时，合成圆偏振光。

（3）当是上面（1）和（2）中以外的相位值时, 合成 (斜) 椭圆偏振光。

3、部分偏振光

由自然光和完全偏振光组成的光，叫做部分偏振光。

我们仅讨论

（1）自然光 + 线偏振光，

（2）自然光 + 圆偏振光，

（3）自然光 + 椭圆偏振光。