光学入门必备！专业术语宝典之偏振篇

偏振是横波独有的性质，描述了振动矢量在垂直于传播方向上的不对称性。作为光学学习中的核心难点与重点，偏振在偏振成像、光通信、量子光学等领域发挥着基石作用。本文从偏振的基础概念出发，从偏振态、特殊名词定义、物理效应及常见参数等维度出发，系统梳理偏振光学领域的常见概念，助你打下扎实的理论基础。

一、偏振态分类

 

不同偏振态区别的本质是光矢量端点随时间在垂直于传播方向的平面上画出的轨迹形状不同。

 

1.1 自然光（非偏振光）

 

光源各原子辐射体发出的波列，其振动方向和相位随机分布，在观测时间内所有方向的振动完全平均，不呈现偏振性。太阳光、白炽灯光均属此类。

 

图1 非偏振光示意图

 

1.2 线偏振光

 

光矢量始终沿同一固定方向振动，在垂直传播方向的平面上，光矢量端点轨迹为一条直线。激光器输出光通常为高度线偏振光。

 

 

图2 线偏振光示意图

 

1.3 圆偏振光

 

圆偏振光是指电场矢量端点沿圆形轨迹旋转的偏振光，是由两个振幅相等、相位差为±π/2的正交平面偏振光叠加形成。根据旋转方向可以分为左旋和右旋圆偏振光，迎着光方向去看，顺时针旋转为右旋偏振光，逆时针旋转为左旋圆偏振光。

 

图3 圆偏振光示意图

 

1.4 椭圆偏振光

 

椭圆偏振光可以由两个频率相同、振动方向互相垂直的线偏振光叠加产生，这两束光振幅不相等或者相位差不为π/2。线偏振和圆偏振均可视为椭圆偏振的特例。

 

1.5 部分偏振光

 

介于自然光与完全偏振光之间，某一方向上的振动强度占优，但无完全消光。

二、特殊名词定义

 

2.1  s光与p光

 

当光以非零入射角射向介质界面时，其偏振分量按相对于入射面（入射光线与界面法线所确定的平面）的几何关系定义：

 

s光（Senkrecht，垂直）：偏振方向垂直于入射面的光分量
p光（Parallel，平行）：偏振方向平行于入射面的光分量

 

图4 通过偏振分束立方分离出的s、p光示意图

 

当入射角满足布儒斯特角，即 时（n₁、n₂分别为两介质的折射率），p光反射率为零，反射光完全为s偏振。

 

2.2  o光与e光

 

当光进入各向异性晶体（如方解石、石英）时，会分解为两束振动方向互相垂直、折射率不同的光，即双折射现象。

 

o光（ordinary ray，寻常光）：遵循折射定律，折射率 n_o为常数，偏振方向垂直于主平面。
e光（extraordinary ray，非常光）：不遵循折射定律，折射率 n_e随方向变化，偏振方向平行于主平面。

 

图5 通过格兰棱镜分离出的o、e光示意图

 

当o光和e光的主平面相互平行时，两光的振动面互相垂直。o光和e光仅在晶体内部有意义，光沿光轴方向传播时无双折射现象。

 

2.3  琼斯矢量

 

琼斯矢量（Jones vector）是用来表征光偏振态的数学工具，是用一个复二维列矢量描述完全偏振光的振幅和相位，表达式如下：

 

其中 为振幅，为初始相位。需要注意，琼斯矢量只适用于表述完全偏振光，对于自然光或者部分偏振光，琼斯矢量无法描述，

 

2.4  斯托克斯矢量

 

斯托克斯矢量（Stokes vector）由 4 个分量构成，可以描述任意偏振态，包括部分偏振光和非偏振光，其公式如下：

 

：总光强，四个偏振角度的平均/总强度；

：0°与90°线偏振强度差，反应线偏振光在水平/垂直方向的偏向；

：±45° 线偏振强度差，反应线偏振在±45°方向上的偏向；

：右旋与左旋圆偏振强度差，反应圆偏振的手性。

在光学系统中可以构造斯托克斯矢量，通过穆勒矩阵描述任意光学系统对偏振态的影响。

 

2.5  庞加莱球

 

庞加莱球（Poincaré sphere）是一种将光的偏振态映射到三维球面上的几何表示方式，将Stokes矢量归一化后，投影到单位球面上，球面上每一点对应一种偏振态：

 

图6 庞加莱球示意图

 

庞加莱球提供了直观的偏振态可视化工具。在庞加莱球上不同位置表示不同的偏振态，赤道上为线偏振光，两极为圆偏振光，而在球面其他位置代表椭圆偏振光。

三、物理效应

 

3.1 双折射效应

 

光进入某些各向异性晶体（如方解石、石英）时，会分成两束折射光（o光和e光），它们偏振方向互相垂直，传播速度不同，其中o光遵循折射定律，折射光线在入射面内，e光不遵循折射定律，不在入射面内。

 

图7 晶体双折射现象示意图

 

双折射效应在光学领域应用非常广泛，常见的如波片以及偏振分光棱镜等器件都是根据双折射效应进行制作。波片的相位延迟产生原理是单色光垂直入射到石英晶体时，发生双折射，但o光、e光不分离，只产生相位差。

 

3.2 法拉第效应

 

法拉第效应（磁致旋光效应）由法拉第于1845年发现：线偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，偏振光的偏振面会随着平行于光线方向的磁场发生旋转。该现象称之为磁致旋光。其旋转角θ满足：

 

其中V为维尔德常数（与介质和波长相关），B为磁感应强度，L为光在介质中的路径长度。

 

图8 法拉第效应原理图

 

法拉第效应具有非互易性，其偏振旋转方向与光的传播方向无关。不管光沿磁场方向或者逆磁场方向传播，光通过磁光介质后偏转方向相同，偏转方向只由磁场方向决定。法拉第旋光器是典型的利用法拉第效应制作的光学器件，根据上述原理，法拉第旋光器可以旋转入射光偏振面，并配合偏振器阻挡回返光，广泛应用于光调制器、掺铒光纤放大器等系统中。

四、常见参数

 

4.1 偏振度

偏振度（Degree of Polarization, DoP）表征光束中偏振光强占总光强的比值：

 

 

当DoP = 1时为完全偏振光，DoP = 0时为自然光（完全非偏振光），当0 < DoP < 1为部分偏振光。

实际光源通常并非绝对的某一种偏振态，而是多种偏振态的混合，因此量化偏振程度尤为重要。

 

4.2 偏振消光比（Polarization Extinction Ratio, PER）

 

偏振消光比是衡量偏振纯度的关键指标，定义为一对正交偏振方向上最大透过光强与最小透过光强之比，公式通常为：

 

通常来说，一个器件的消光比越高，器件输出光的偏振纯度越高。在日常使用时，偏振消光比可能被简称为消光比，缩写ER。

 

偏振作为激光的典型特征，在光通信、量子光学等各个领域有着非常广泛的应用场景，理解偏振术语，是了解和应用偏振器件的关键。以上为一些常见的偏振光学术语，希望可以帮助各位初入光学领域的朋友更快了解偏振光学。