31、光的偏振：原理、材料与滤镜应用

光的偏振：原理、材料与滤镜应用

1. 偏振的基本概念

光的偏振是光学领域中一个重要的概念。当一个沿 z 方向传播的线偏振电磁波，其偏振面位于 xz 平面和 yz 平面之间时，电场的 x 分量 (E_x(t)) 和 y 分量 (E_y(t)) 会“同步”或“同相”变化。从数学角度描述，该波可表示为：(\vec{E} = E_x \cos(kz - \omega t)\vec{i} + E_y \cos(kz - \omega t)\vec{j})，其中 (E_x < E_y)。

若将 x 分量相对于 y 分量延迟四分之一周期（例如使用四分之一波片），且两者振幅相等，此时偏振呈现为圆形，类似于右旋螺丝的螺旋状，这种偏振被称为右旋圆偏振。反之，若将 x 分量相对于 y 分量提前四分之一周期，则为左旋圆偏振，其数学表达式为：(\vec{E} = E_x \cos(kz - \omega t)\vec{i} + E_y \sin(kz - \omega t)\vec{j})，这里 (E_x = E_y)，意味着 x 方向的电场相对于 y 方向的电场有四分之一周期（或四分之一波长）的相位差。

平面电磁波的偏振可以用两种正交的线偏振波作为基向量来描述，也可以用右旋和左旋圆偏振波作为基向量来表示。

2. 双折射现象

要实现从线偏振到圆偏振的转换，关键在于改变电场一个分量相对于另一个分量的时间变化相位。而这种相位变化可以通过双折射材料来实现。

双折射材料是指在其中，沿一个方向偏振的波与沿垂直方向偏振的波具有不同速度的材料，这导致两种偏振光的折射率不同。玻璃由于其原子间键的无序性，不存在系统性的方向差异，因此不能成为双折射材料。双折射材料通常