光の偏光は、波が進むときに電場がどの向きにそろっているかを表します。初等光学では、無偏光の光は時間とともに多くの横方向の電場成分を含みますが、偏光した光はよりはっきりしたパターンに従います。主な種類は、直線偏光、円偏光、楕円偏光の3つです。
これは重要です。なぜなら、多くの光学現象は強度や波長だけでなく、電場の向きにも依存するからです。偏光サングラス、LCD画面、ぎらつきの低減、そして多くの実験機器は、いずれも偏光を利用しています。
光の偏光とは何か
光は電磁波であり、初等物理では偏光を説明する際に通常は電場に注目します。重要なのは、電場が光の進行方向に垂直な向きに振動することです。
電場が常に1つの一定した横方向を向いているなら、その光は直線偏光です。波が進むにつれて電場の向きが回転するなら、その運動のしかたに応じて円偏光または楕円偏光になります。
このため、偏光は明るさや色とは異なります。2本の光が同じ強度と波長をもっていても、偏光状態は異なることがあります。
偏光の種類：直線偏光・円偏光・楕円偏光
直線偏光
直線偏光では、電場は1本の決まった直線方向に保たれます。電場の大きさは時間とともに変化してもよいですが、向き自体は回りません。
これは最初に学ぶ標準的な場合です。単純な偏光フィルターで、おおよそこの状態を作ることができるからです。
円偏光
円偏光では、理想的には電場が一定の速さで回転し、その大きさも一定に保たれます。空間中のある1点で見ると、電場ベクトルの先端は時間とともに円を描きます。
これには、互いに垂直な2つの電場成分が同じ振幅をもち、適切な位相差をもつことが必要です。
楕円偏光
楕円偏光は、より一般的な場合です。電場ベクトルの先端は時間とともに楕円を描きます。
直線偏光と円偏光は、適切な条件のもとでは楕円偏光の特別な場合とみなせます。
光が偏光するしくみ
光学系が、ある電場方向を他の方向と異なるように扱うと、光は偏光します。
偏光フィルターは、電場のある特定の向きを他の向きより強く通すため、出てくる光はおおよそ直線偏光になります。
反射によっても光は偏光します。道路、水面、ガラスからの反射によるぎらつきは、しばしば部分的に偏光しているので、偏光サングラスでそれを弱めることができます。
散乱によっても偏光は生じます。そのため、偏光は大気観測やイメージングでも役立ちます。
より進んだ光学では、複屈折材料や波長板によって、ある偏光状態を別の偏光状態に変えることができます。初学者向けには、光学系が横方向の電場成分を変化させたり選び出したりすると考えれば十分です。
計算例：理想的な2枚の直線偏光板
強度 の光が、すでに直線偏光しているとします。その後、この光は、透過軸が入射偏光の方向となす角が の理想的な検光子を通過します。
この特定の設定では、透過強度はマリュスの法則により次のようになります。
検光子を に回すと、
したがって、透過強度は の4分の1です。
物理的な意味は単純です。検光子は、自身の軸にそろった電場成分を透過させます。ここでマリュスの法則が使えるのは、入射光がすでに直線偏光しており、偏光板を理想的なものとして扱っているからです。
偏光の問題でよくある間違い
進行方向と偏光方向を混同する
光はある軸に沿って前方へ進みますが、電場はその軸に垂直な方向に振動します。これらは別の方向です。
すべての光が偏光していると思い込む
日常の多くの光源は、光学素子と相互作用する前には無偏光、または部分偏光の光を出しています。
直線偏光・円偏光・楕円偏光を無関係なものとして扱う
これらは異なる偏光状態ですが、円偏光と直線偏光はいずれも、より広い楕円偏光の枠組みの中の特別な場合です。
マリュスの法則を広く使いすぎる
式 は、理想的な検光子に直線偏光した光が入射する場合の式です。入射光が無偏光や部分偏光なら、設定をより注意深く扱う必要があります。
光の偏光はどこで使われるか
- 反射によるぎらつきを抑える偏光サングラス
- LCDやディスプレイ技術
- 光通信と実験用計測機器
- 顕微鏡観察と材料分析
- 写真撮影とリモートセンシング
製品が偏光という言葉を明示していなくても、光学系が光を制御したり測定したりするしくみの一部として、偏光が使われていることがあります。
似た偏光の例を自分で試してみよう
偏光板の例で、、、 の場合を自分で試してみましょう。向きが変わると透過強度がどう変わるかを、すばやくつかめます。
もう一歩進めたいなら、屈折や干渉のような別の光学の例も調べて、光のどの性質が変わり、どの性質が変わらないかを比べてみましょう。