§8-3 光的偏振
光的干涉和衍射现象说明了光的波动性质。但是，不论是横波还是纵波均可以产生干涉和衍射。而光的偏振现象证实了光的横波性质。
麦克斯韦的电磁理论指出电磁波是横波，是电磁振荡的传播。其电场强度矢量E和磁场强度矢量H均与其传播方向垂直。可见光是波长在400nm
~ 760nm之间的电磁波。由于光波中可以引起人的视觉和使照相底片感光作用的均是电场强度E，因此常用电场强度矢量E表示光振动矢量，称E 振动为光振动。
首先来看光的偏振现象。光有自然光、平面（线）偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光 等五种不同的偏振状态。
用来获得偏振光的装置叫作起偏器，用来检验某一光束的偏振状态的装置叫作检偏器。
利用偏振片、尼科尔棱镜 可产生平面（线）偏振光。利用光在两种介质的分界面上的反射和折射现象，也可以得到偏振光。依据 布儒斯特定律可知，其条件是入射角为布儒斯特角。
根据马吕斯定律可以确定线偏振光经过检偏器后的光强。如果已知入射光是自然光或平面（线）偏振光 或部分偏振光，那么，利用一个偏振片，并以入射光线为轴，旋转偏振片，依据看到的光强变化即可以判断出，入射光是自然光，还是平面 （线）偏振光或是部分偏振光。
得到椭圆或圆偏振光的方法则是应用晶体的双折射现象。
当一束光入射到各向异性的晶体上时，将产生二束折射光，这种现象叫做双折射(birefringence)。
二束折射光中的一束仍遵守光的折射定律，称这类光为寻常光（ordinary ray），简称o光。另一束不遵守折射定律，称其为非常光（extraordinary ray），简称e光。
晶体内存在着特殊方向，当光线沿这方向传播时不产生双折射现象，称这个方向为光轴。只有一个光轴的晶体为
单轴晶体，如石英、方解石等等。有二个光轴的晶体为双轴晶体，如云母、硫等等。
晶体表面的法线与光轴构成的平面，叫做晶体的主截面。晶体中由o光和光轴构成的平面，叫做o光的主平面。 晶体中由e光和光轴构成的平面，叫做e光的主平面。
o光和e光均是线偏振光。o光的振动面垂直于自己的主平面。e光的振动面既是自己的主平面。
比较晶体中e光的主折射率 ne与o光的折射率no的大小，可将晶体分为正晶体和负晶体。
应用惠更斯原理，可以用作图的方法求出在一些特殊情况下，单轴晶体中o光和e光的传播方向。
将一束单色线偏振光垂直入射到光轴与晶体表面平行的晶片上，只要晶片的厚度适当，即可得到椭圆偏振光或圆偏振光。根据需要，可将晶片加工成一定厚度，得到全波片、二分之一波片或四分之一波片。
依据偏振光的干涉产生的色偏振现象可以用来确定双折射现象的存在。
自然光(natural light) 一个原子或分子发出的波列是偏振的，光矢量具有一定的方向。但普通的光源辐射的光波是大量原子和分子辐射出的电磁波的混合波。因此在任何时刻，在与光波传播方向垂直的平面上，光矢量可以取任何可能的方向，即光矢量是均匀对称分布的，称这样的光为自然光。常用下面的图示表示自然光。图二左为面对光的传播方向。
线偏振光(line polarized
light)如果光矢量只在一固定平面内的某一固定方向振动，称这种光为线偏振光或平面偏振光。偏振光光矢量的振动方向与其传播方向构成的平面称为振动面。与振动方向相垂直、包含传播方向的面称为偏振面。
线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解，如图，面对光的传播方向来看，光矢量
E可分解为Ex 和
Ey。Ex=
Ecosa；
Ey=
Esina。
当自然光通过偏振片或尼科尔棱镜后，可以得到线偏振光。在特定的条件下，利用自然光在两种介质分界面上的反射和折射，也可获得线偏振光。
部分偏振光(partial polarized
light) 是介于自然光和偏振光之间的一种偏振光。部分偏振光也可以分解为两个相互垂直的光振动，但二者振幅不等，且无固定的相位关系。
椭圆偏振光(elliptically polarized
light):
在与光的传播方向垂直的平面内，光矢量按一定频率旋转，其端点轨迹为一椭圆时，称这种光为椭圆偏振光。 将一束单色线偏振光垂直入射到光轴与晶体表面平行的晶片上，晶片的厚度d 满足：即
可得到椭圆偏振光。
圆偏振光(circularly polarized
light):
在与光的传播方向垂直的平面内，光矢量按一定频率旋转，其端点轨迹为一圆时，称这种光为圆偏振光。 将一束单色线偏振光垂直入射到光轴与晶体表面平行的晶片上，只要晶片的厚度满足：
而且o光和e光的振幅相等（即图中，线偏振光的振动方向与晶片光轴方向的夹角a=45°），即可以得到圆偏振光。
起偏器和检偏器(polarizer and
analyzer):
用来从自然光获得偏振光的装置叫做起偏器。用来检验某一光束是否是线偏振光的装置叫做检偏器。
偏振片(polaroid):
偏振片的做法是：以含有长碳氢链的透明塑料膜为基底，然后把膜浸入含碘的溶液中。将膜沿一定方向拉伸，膜分子在该方向上排列起来， 含碘的晶粒附着在长碳氢链上。当电磁波入射时，电矢量平行于长链的方向，电场被吸收；电矢量垂直于长链的方向，电场被吸收的很少。 这样，就做成了只允许某特定方向光矢量通过的偏振片，称这一特定方向为该偏振片的偏振化方向或透振方向。
尼科尔棱镜(Nicol
prism):
尼科尔棱镜是利用晶体的双折射现象来获得偏振光的仪器。当一束自然光进入该棱镜，分成寻常光和非常光， 然后寻常光经全反射到棱镜的侧壁后被吸收，而非常光通过棱镜，从而得到线偏振光。
布儒斯特定律(Brewster
law):
自然光在两种各向同性介质的分界面上的反射和折射时，反射光的偏振程度与入射角有关。
1812年布儒斯特在实验中发现：当入射角等于特定角i0=
tg-1 (n2/n1)时，或反射光与折射光垂直时，反射光为光振动垂直入射面的线偏振光。 此式称为布儒斯特定律。该特定角称为布儒斯特角。
当自然光以布儒斯特角入射到玻璃片堆时，光在每片玻璃的上下表面的反射光均为线偏振光，这样不仅反射的偏振光的强度增大，而且折射光的偏振化程度也会增加。当玻璃片足够多时，透射出来的折射光就接近完全偏振光。
马吕斯定律(Malus law):
马吕斯指出：强度为I0的偏振光，透过检偏振器后，透射光强（不考虑吸收）为
I =
I0 cos2a 此式称为马吕斯定律。式中a为起偏器与检偏器的偏振化方向的夹角。
寻常光(ordinary ray)和非常光(extraordinary ray):
当一束自然光射入各向异性晶体后，一般产生两条折射光。实验证明，当入射角i改变时，两条折射线中的一条总是遵守折射定律， 称这束光线为寻常光，简称o光。另一条不遵守折射定律，它不一定在入射面内，对不同入射角i，sini/sing也不是常数， 称这束光线为非常光，简称e光。
光轴(optical axis):
晶体内存在着特殊方向，当光线沿这方向传播时不产生双折射现象，即在这个方向上，o光和e光的折射率相等，或在这一方向上o光和e光的传播速度相等。称这个方向为光轴。
e光的主折射率(extraordinary
index):
在（各向异性）晶体内，在光轴方向上o光和e光的折射率相等。用vo
表示o光的速度，
no表示它的折射率。在与光轴垂直的方向上，两光线的速度相差很大。用ve表示e光在与光轴垂直方向上的速度，用ne表示e光这一方向上的折射率，叫做e光的主折射率。
正晶体(positive crystal) 和负晶体(negative
crystal) 如果在（各向异性）晶体内，若vo>
ve，即 no< ne，称这类晶体为正晶体，如石英。 若vo<
ve，即 no> ne 的晶体，叫做负晶体，如方解石。
二分之一波片 将晶体加工成光轴与表面平行的双折射晶片。如果晶片的厚度，使o和e 间的相位差Dj =
kp（k为整数）时，称这种晶片为二分之一波片。即厚度d为：
四分之一波片 将晶体加工成光轴与表面平行的双折射晶片。如果晶片的厚度，使o和e 间的相位差Dj
=(2k+1)p/2（k = 0,1.2,）时，称这种晶片为四分之一波片。即厚度d为：
偏振光的干涉:
如图所示，起偏器A和检偏器B相互正交。光源为单色自然光，先经过起偏器A和晶片。由晶片射出的是两束沿同一方向传播的、同频率、振动方向相互垂直、有一定相位关系的偏振光。因此，在经过检偏器B后，两者在检偏器的偏振化方向上的分振动是相干的。若晶片的厚度使两分振动干涉加强，视场最亮；若晶片的厚度使两分振动干涉减弱，视场最暗。
色偏振(chromatic
polarization):
色偏振是检验双折射现象的极灵敏的方法。将具有双折射性质的物质制成薄片放在正交的偏振片之间，如果用白色光源，通过视场变亮或现出颜色，即可确定双折射的存在。
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