1.引言

「偏光解析」

大家平时可能没听说过，据说在很久以前，冰岛的维京人在太阳或星星被云层遮蔽时，会使用透明度很高的方解石“冰洲石”晶体来辨别方位、操控船舵。

方解石是制造偏振棱镜的材料。维京人将这种方解石命名为“太阳石”。他们似乎利用透过太阳石的太阳光（形成的双像），来代替罗盘使用。

说维京人当时“正在进行偏振分析”也毫不夸张，不过，他们自己恐怕并没有意识到这一点。那时，指南针还尚未发明。

这应该是他们为了成功航海——也就是为了生存下去，而采用的一种辨别方位的方法。真没想到很久以前维京人就已经在进行偏振分析了啊……

会对此心生浪漫遐想的，应该不只我一人吧？

下页之后的内容如下。

阅览此处，需要登录会员。

恳请您借此机会完成注册，以便查看相关内容。

　2．偏光是什么

　3．偏光子是什么

　4．折射率和双折射率

　5．慢轴、快轴与相位差

2.偏光是什么

那么，“偏振”究竟是什么呢？

光既具有波的性质，也具有粒子的性质，而偏振属于对波的性质的分类。不受通常外部影响的光被称为自然光，自然光的波会在所有方向上振动。与此相对，只在特定方向振动或按规律振动的光，被称为“偏振光”。

只在特定方向振动的光称为线偏振光；按规律振动的光则包括椭圆偏振光和圆偏振光，这两种偏振光是根据波的轨迹形状来分类的。

此外，当自然光与偏振光混合存在时，这种光被称为部分偏振光。

测量仪器主要对自然光和偏振光进行测量与解析（图1）。

前文提到的维京人当时所测量和解析的，其实就是部分偏振光。

图１．偏光的分类

3.偏光子是什么

能从向所有方向振动的自然光中提取出仅沿单一方向振动的线偏振光的光学元件，被称为 “偏振器”。

偏振器分为块状的偏振棱镜（图 2）和板状的偏振片（图 3）。偏振棱镜是利用双折射晶体的特性以及不同偏振方向下全反射角的差异来实现偏振分离的光学元件。维京人曾使用的太阳石（方解石），也属于双折射晶体。

图2．偏振器的例子（偏光棱镜）

图3．偏振器的例子（偏光板）

另一方面，普通偏振片是利用物质吸收特性的方位角依赖性（二向色性）实现偏振分离的光学元件。通常，偏振片的制作方法是将 PVA（Polyvinyl alcohol）薄膜向一个方向拉伸的同时，浸入碘溶液中。由于PVA薄膜吸湿性强，会吸收碘；进一步拉伸薄膜，碘则会沿着薄膜的慢轴方向排列。排列后的碘仅允许单一方向的光透过，而吸收其他方向的光，这种性质被称为二向色性。偏振片正是依靠这种二向色性，发挥偏振器的作用。

由于PVA薄膜物理性质较脆，通常会将其夹在两张TAC（Tri acetyl cellulose）薄膜等基底薄膜之间使用。

此外，板状偏振片也存在其他类型的偏振器，例如：像 wire-grid 偏振片（线栅偏振片）那样利用金属纳米线的偏振分离特性制成的偏振片、像玻璃偏振片那样通过在玻璃内部使金属定向排列并利用其金属粒子表面等离子体吸收特性制成的偏振片，以及混合型偏振片等。

4.折射率和双折射率

在所有方向上折射率都相同的物质称为光学各向同性物质，折射率随方向不同而变化的物质称为光学各向异性物质。

光学各向同性物质仅有一个折射率，而光学各向异性物质具有多个折射率，因此也被称为双折射物质。

偏振棱镜的材料——方解石（Calcite）晶体、液晶等棒状分子、向单一方向拉伸的相位差薄膜等，都属于这类光学各向异性物质（图4）。

图4．具有双折射性的样品的示例

折射率由以下公式表示：

由该公式可知，折射率越高，光在物质内部的传播速度就越慢；折射率越低，光的传播速度则越快。此外，对于具有双折射性的物质，由于其折射率会随方向不同而变化，因此光在物质内部的传播速度，也会因入射线偏振光的振动方向不同而产生差异。

5.快轴、慢轴和相位差

在具有双折射性的物质中，折射率较高的方向称为慢轴（Slow Axis），折射率较低的方向称为快轴（Fast Axis）。此外，慢轴与快轴统称为光轴或轴。

当线偏振光沿慢轴或快轴方向入射时，光在物质内部的传播速度会因折射率而降低，但由于透过物质后回到相同的空气中，传播速度会恢复至原有速度，因此不会产生相位差。

当线偏振光沿与慢轴或快轴不同的方向入射时，由于光在x分量和y分量上的传播速度不同，透过物质后会产生相位差。

该相位差在入射方向与轴呈45°方位角时达到最大值。

由双折射性物质产生的相位差，被称为双折射相位差“Retardation，Re）”。

实际上，物质的折射率会因光的波长不同而变化，因此相位差自然也会随波长变化（相位差的波长色散）。

图5．慢轴・快轴和相位差