レーザー光を操る-偏光


図1
図1

光は電磁波ですので,電場と磁場が空間を伝わっていきます。物質にあたったときに影響するのは磁場に比べると電場の方がはるかに大きいので,普通は電場だけに注目することが多いのです。光が進んでいく時の,ある瞬間の電場の様子を描いたのが図1です。

この例では,電場がx–z平面内で振動しています。進行方向の先にスクリーンを置いて,そこに投影された電場を見ると,図のように垂直方向に直線的に変化しています。それ故に,これを直線偏光と言います。直線偏光には,この図と直角のy–z平面内を振動するものもあります。すなわち,互いに直交する2種類の直線偏光があります。


図2
図2

また,図2のように,電場の大きさが変化せずに回転するような状態も存在します。スクリーンに投影した形が円ですので,円偏光と呼んでいます。円偏光の場合,右回りと左回りの2種類があります。

これらの中問状態として,投影した形が楕円になる楕円偏光が存在します。偏光とは,光の偏りのことです。電球などの光は一定の偏光を持っておらず,無偏光の光です。無偏光とは,あらゆる方向の偏光の集まりと言えるでしょう。

次に,物体があるときの光に振る舞いについて考えることにします。

物体としてガラスを例にとり,空気からガラスに光が入射したときのガラス表面からの反射光に着目します。入射光に対する反射光の強度の比を反射率と呼び,ちゃんと計算することができます。紙面内には,入射光と反射光の両方が含まれています。


図3
図3

そこで,図3に描いてあるように,電場が紙面内で振動しているものと,紙面に垂直な方向に振動しているものについて考えます。すなわち,紙面内で振動している直線偏光と紙面に垂直に振動している直線偏光に分けて考えます。


図4
図4

前者をp偏光,後者をs偏光と呼んでいます。ガラス表面に対して垂線を引いて,そこからの入射角をパラメータにして計算した結果が,図4です。垂直に入射したときの反射率は,ガラスの屈折率をnとして(n-1)2/(n+1)2で計算でき,おおよそ4%です。入射角を傾けて行くと,両偏光に対する反射率には大きな差が出てきます。

すなわち,s偏光では,角度と共に反射率が少しずつですが,高くなっていきます。さらに角度を大きくしていき,90°すなわちガラス表面に平行に近づけると,反射率は急激に高くなり,最後には100%にまでなります。一方,p偏光の場合,角度を大きくするにつれて,反射率が低くなっていき,ある角度のところで0%になります。さらに角度を大きくすると,s偏光の場合と同じように100%にまで高くなります。入射角の低い範囲における,両偏光の反射率の差が,現実社会で大きな変化をもたらしています。


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