一、光的偏振现象

在波动学中知道，光可分为横波和纵波。现在我们以机械波为例，从振动方向和传播方向之间的关系来观察。

如图11-1所示，在波传播的方向上放一栏栅，当以波矢k方向为转轴，转动栏栅的取向时，对于横波的传播将会发生影响。当栏栅的缝与波的振动方向垂直时，波不能通过栏栅；而当栏栅的缝与波的振动方向平行时，波能完全无阻地通过栏栅；当栏栅的缝与波的振动方向为任意夹角θ时，则通过栏栅的波振动方向与通过栏栅前不同，而变为与栏栅平行，其振幅与θ有关。但是如果纵波通过栏栅，无论绕k方向怎样旋转栏栅，对纵波传播将不会产生任何影响。

上述观察结果表明，纵波的振动方向只有平行于传播方向k的取向；横波的振动方向则有无限多个可能取向。由于在垂直于波矢k方向的平面内，任取一个方向（θ方向）都是可能的取向，通常把振动方向和波矢k（波的传播方向）构成的平面称为振动平面。对于一确定方向上振动的横波，除其振动平面外，所有振动的可能取向与波矢k还构成无穷多个非振动平面。因此横波相对于波的传播方向不是轴对称的。把振动方向相对于传播方向的不对称性称为偏振。显然纵波相对于传播方向是对称的。因此只有横波才有偏振现象。偏振是横波区别于纵波的重要标志。

光波是电磁波，光波中光矢量E的振动方向总是和光的传播方向垂直。当光的传播方向确定以后，光振动在与光传播方向垂直的平面内，但振动方向仍然是不确定的。光矢量可能有各种不同的振动状态，这种振动状态通常称为光的偏振态。

二、自然光与偏振光

由普通光源的发光机制可知，一个原子或分子每次发射的一个波列，有确定的初相位和一定的振动方向，因此有确定的振动状态，持续时间小于10^-8s。但是光源中大量原子或分子在同一时刻发出的光波，或者同一原子在不同时刻发出的光波，其初相位和振动方向都是不相同的，偏振状态之间的关系完全是任意的。从宏观上看，光源发出的光中包含了所有方向的光振动，没有哪一个方向的光振动比其他方向更占优势。在垂直于光的传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有，平均而言光振动对光的传播方向是轴对称而均匀分布的。在各个方向上，光矢量对时间的平均值相等。换言之，光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性，具有这种性质的光称为自然光。如图11-2（a）所示。

为了研究问题方便起见，常把自然光中各个方向的光振动都分解为方向确定的两个相互垂直的分振动。从而就可将自然光表示成两个相互垂直、振幅相等、振动独立的光振动，如图11-2（b）所示。这种分解不论在哪两个相互垂直的方向上进行，其分解的结果都是相同的。显然每一独立光振动的光强都等于自然光光强的一半。由于自然光光振动的随机性，这两个相互垂直的光矢量之间没有恒定的相位差，因而它们是不相干的。图11-2（c）是自然光的表示法。图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直纸面的光振动。图中给出了自然光的三种表示方法。(www.daowen.com)

三、线偏振光

如果光矢量E只限定在确定的平面内，沿确定的方向振动，则称这种光为平面偏振光。由于偏振光的光矢量E在与传播方向k垂直的平面上的投影为一直线，故常称为线偏振光，简称偏振光。在光学实验中采用某种装置将自然光中相互垂直的两个分振动之一完全移除，就可获得线偏振光。所以线偏振光又称为完全偏振光。图11-3是线偏振光的示意图，图（a）表示光振动方向垂直纸面的线偏振光；图（b）、（c）表示光振动方向在纸面内的线偏振光。

应强调指出，因为不可能把一个原子所反射的光波分离出来，所以在实验中所获得线偏振光是包含众多原子的光波中光振动方向相互平行的成分。

四、部分偏振光

除自然光和线偏振光之外，还有一种介于两者之间的偏振光，这种光在垂直于光的传播方向的平面内，各方向的振动都有，但它的振幅大小不相等，称为部分偏振光。部分偏振光可以称为偏振光和自然光的混合。常将其表示成某一确定方向的光振动较强，与之垂直方向的光振动较弱。图11-4所示是部分偏振光的表示方法：图（a）表示在纸面内的光振动较强；图（b）则表示垂直纸面的光振动较强。

为了描述部分偏振光中偏振部分所占的比例，常引入偏振度P，它被定义为偏振部分的光强度I_P与总光强度I_t之比：

其中，I_un为自然光的强度。显然当P=1时为完全偏振光；P=0时为自然光；当0＜P＜1时为部分偏振光。