2. 偏光とは

可視光を中心とする波長領域の電磁波を光と呼びます． 図2-1 のように，互いに直交するサインカーブ状の電場 E と磁場 B [注] が，両者の外積 （ E × B ） 方向 （電場 E の振動方向から磁場 E の振動方向に右ネジを回したときに，ネジが進む方向）に進む横波です．

[3] R. P. ファインマン他著，富山小太郎訳:「ファインマン物理 学 II」, 岩波書店 (1991).
[4] E. Hecht: “Optics (5th ed.)”, Pearson Education (2016)．
　　　　　　[訳書 E. ヘクト著，尾崎義治，朝倉利光訳:「原著5版 ヘクト 光学 I, II」, 丸善 (2018)]．
[5] 田所利康:「ビジュアル解説 光学入門」, 朝倉書店, (2024)．　>> 書籍紹介ページへ
[6] 江馬一弘:「光物理学の基礎」, 朝倉書店 (2010)．

光の電場振動が特定方向に偏った光を，偏光といいます． 図2-1 に描かれている電磁波の概念図は，一つの面内でサインカーブ状に振動する電場として光を図示されていますが，実は，それは直線偏光と呼ばれる偏光の状態を表しています． 一方．私たちが日頃目にする太陽や月からの光，身の周りの風景から来る光は，電場振動の方向や位相がランダムに混じり合った状態の光（ランダム偏光）で，自然光と呼ばれます．

自然光から直線偏光を作り出すものを，偏光子と呼びます． 偏光フィルムは，最も身近な偏光子です． 偏光フィルムは，ヨウ素の針状結晶を含んだ高分子（ポリビニルアルコール）を，一方向に引き延ばして作製されます． 引き延ばされたヨウ素の針状結晶は，一方向に揃い，結晶が揃った方向の偏光を吸収して，それと直交する偏光のみが透過する偏光子になります．

図2-2は，偏光フィルムから，特定方向の直線偏光のみが出射されるようすを表しています． 透過する偏光の振動方向を透過軸と呼びます． 入射光は，偏光方向と位相がランダムな自然光ですが，図示の都合上，振動方向がランダムな矢印として表しています． 偏光子では，透過軸方向の振動成分のみが透過するため，出射偏光の強度は，入射自然光の約半分になります．

2 枚の偏光フィルムに光を透過させると， 2 枚の偏光フィルムの角度関係によって，図2-3 のように，透過する光の強度が変化します． (a) 透過軸が平行な場合，1枚目で作られた直線偏光は，そのままの強度で2 枚目を透過します． この偏光配置を平行ニコルと言います． (b) 出射側の偏光子 （検光子と呼ぶ） を回転させていくと，次第に，透過光強度が減少し，(c) 透過軸が直交した状態では，光はほとんど透過しなくなります． この状態を，直交ニコルと呼びます．

任意の偏光は，2つの基本的な偏光 E_p , E_s のベクトル和で表せます． 偏光状態を決めるパラメーターは，2つの偏光 E_p ， E_s の位相差 Δ = Δ_p - Δ_s と， E_p と E_s の振幅の比 E_p / E_s です． 位相差 Δ は，波動 E_p ， E_s の初期位相をそれぞれ Δ_p ， Δ_s として，Δ_p を基準に Δ_s の進み方/遅れ方を表します． 図2-4 は，位相差 Δ を変化させたときに現れる直線偏光，楕円偏光，円偏光のようすを示しています．

2 つの偏光 E_p , E_s が同じ位相 Δ = Δ_p - Δ_s = 0° で，同じ振幅 E_p = E_s の場合，合成される偏光はxy平面上45°方位の直線偏光になります． E_p が進むか，E_s が遅れるかして，位相差 Δ = 90 ° = π/2 = λ/4 が生じた場合の合成波は，合成電場ベクトルが時間と共に円周上を左回転する左回り円偏光，位相差が Δ = -90° = - π/2 = - λ/4 の場合には，右回り円偏光になります． 一般的には，偏光 E_p , E_s が任意の振幅と位相をとるため，合成される偏光は楕円偏光になります． 偏光解析法を表す英語名のエリプソメトリー （ Ellipsometry ） は，偏光解析が扱う偏光状態が一般的に楕円偏光であることから，「楕円」を表すギリシャ語 Ellipse から名付けられました． 図2-5 に位相差 Δを0から 2 π まで変化させたときの偏光状態変化を示します．