偏光の向きについて

質問

光のP波、S波の定義について教えてください。

ネット等で調べてみると入射面に対して水平なのがP波、
垂直なのがS波と書いてあるのですが、
ある面に対して真上から入ってきた光はP波にしてもS波にしても
面に対しては水平方向に振動しているのではないのでしょうか？
（光は横波であるため）

この、垂直・水平の定義、ご存知の方教えてください。
宜しくお願いします。

回答No.14

info22

No12の回答での質問について
回答の一部を訂正します。

>偏光板を中心に考えて偏光面がP波になっている偏光波だけが通過すると言うことです。

この部分は以下のように訂正します。
ここは偏光板を中心に考えると通過する偏波面は同じですから、光線の方位角が回転するにつれて通過する偏波がP波成分が減少しS波成分が増加し90度回転したところでS波だけが通過し、更に回転していくとSが成分が減少しP波成分が増加していきます。180度回転したところでP波だけが通過するようになり、S波は通過しなくなります。更に回転していくとP波成分が減少しSは成分の通過が増加していきます。270度回転したところS波だけが通過します。更に回転していくとS波成分の通過が減り、P波成分の通過が増加し、360度回転したところでP波だけ通過するようになります。

以下は間違った結論ですので削除してください。
>でも、偏光板に入射する光と偏光板の位置関係からP 波、S波の偏光面を定義すれば矢張りP波だけを通過させることになります。

回答No.13

paddler

ご参考。

円偏光は、確かに自然界（「人間の作った世界＝人工的」の反対語としての）に存在します（下記URL参照）。

> 自然光源のあらゆる振動面を偏光波がランダムかつ一様に含まれる偏光（この光を偏光と呼ぶこと自体抵抗があります）

何度もくどいほど申し上げておりますが、この偏光状態を光学用語で「自然偏光」または「ランダム偏光」と呼ぶのです（私の勝手な造語ではありませんので念の為）。これからは、この偏光状態を説明するのには「自然偏光」という言葉をお使い下さい。

http://cweb.canon.jp/ef/special/lens/dictionary/ha/index.html#13

ちょっとhikariさんのご質問の趣旨から外れてきたような気がします（hikariさん、すみません）ので、私はこれで最後にさせていただきたいと思います。

参考URL：

http://www.op.titech.ac.jp/lab/Take-Ishi/html/ki/hg/et/sb/goldbug/goldbug.html

回答No.12

info22

#10です。
#11さんの円偏光の定義では、通常の電波（電界磁界の直交偏波）の伝送における電界と磁界の直交(偏波)と同じ関係のP波/S波（直交する振動面を持った２つの波）ということになりますので、自然光源ではそのような円偏光波は存在しません。光における円偏光波は人工的な操作でしか作れないものですので、通常の自然界には存在しません。
お断りしたように、太陽光や電灯などの自然界の光源から出るあらゆる振動面を持つ光波がタンダム（一様）に入った光線、つまり偏光板を通過した光の明るさが、偏光板の回転角に依存せず、変わらない光線を、適当な簡単な用語ななかったため、仮に「円偏光波」という言葉をつかったため誤解を与えたようですので、私の回答の中の「円偏光」の用語は「円偏光の定義」からすれば不適切ですので、上記の意味の太陽光などの自然光源のあらゆる振動面を偏光波がランダムかつ一様に含まれる偏光（この光を偏光と呼ぶこと自体抵抗があります）と置き換えていただければ幸いです。

#10での質問の回答ですが
>前上方から（正面斜め上から机に入射）に関しても
同じことがいえるということでしょうか？
私が知りたいのは入射角依存ではなくて入射方位？依存
に関してなのですが。

偏光板を固定し入射角も固定し、入射方位を回転していくことは、入射方位を固定し、偏光板を机面に平行な面上で回転していくことになります。更に言い換えれば、偏光板上に固定した座標から見れば、光源（S波）振動面を回転していくことになりますので方位角を±90度回転した時には光源のS波は±90度だけ回転されたことになりますので、偏光板から見ればP波になっていると言うことです。

つまり、偏光板にとって入射方位を変えることは、偏光板を、置かれた平面内で回転していることになり、特定偏波面をもった偏光波（それがP波、S波であろうと）、にとって、回転角依存して通過量が変わっていきます。
偏光板を中心に考えて偏光面がP波になっている偏光波だけが通過すると言うことです。人間（地球、水平線）にと対して（電波と同じように）S波、P波を考えるなら（光線に固定した座標系で考えるなら）、回転角によって通す偏光波の種類と強さが変わります。でも、偏光板に入射する光と偏光板の位置関係からP波、S波の偏光面を定義すれば矢張りP波だけを通過させることになります。
あくまで入射光の入射方向と偏光板の置き方（通過する光の偏光面）との関係から、P波、S波を考えられると理解できると思います。

No9の回答での質問について
>>左手上方45度から机に入射してくるP波が透過するように合わせてあるとします。
>>この偏光板に対して前方45度上方から入射してくる光線を考えるとこの光線にとってはS波を通す偏光板に見えるのではないかということです。

偏光板を90度回転することになりますのでS波だけを通します。（質問の意味を正確に把握していなかったようでごめんなさい。）

回答No.11

paddler

すみません、あまりにも「完全な誤り」で見過ごせないため、ご指摘させていただきます。

> 円偏光はあらゆる振動面を持った偏光波がどの振動面にも一様に含まれた光源から到来する光線のことを差します。具体的に言えば、太陽光のような光線のことで、光源に（太陽）に向かって、偏光板を360°（180°）くるくると回転させた時偏光板を通過した光源の明るさが回転角によらず同じ明るさになる場合の光源からの光線（の偏光状態）を「円偏光」として使っています。

＜＜円偏光の定義＞＞

円偏光とは、１つの光波がもつ、振動面が互いに直交する２つの直線偏光成分の複素振幅において、両者の振幅が等しく、かつ位相に90度の差がある（すなわち一方がsinの時、他方がcos）場合の偏光状態のみを指します。従って、この２つの直線偏光成分は1/4波長板を通すことにより、両者の位相を合わせて一つの直線偏光を取り出すことができます。

太陽光に含まれるてんでばらばらな偏光状態は、たしかに統計的には「全ての方向の偏光成分を均等」に含みますが、決して可干渉でもなく、1/4波長板で直線偏光化することもできません。これを「自然偏光」と呼ぶのであって、決して「円偏光」とは呼びません（全く異なるものです）ので、ご注意下さい！

回答No.10

info22

#8です。
#9で指摘がありましたので補充しておきます。
「円偏光」と言う言葉は適当な表現がなかったため、通常使われている言葉をお借りしただけです（円偏光という言葉は私自身もしっくりいきません。）円偏光はあらゆる振動面を持った偏光波がどの振動面にも一様に含まれた光源から到来する光線のことを差します。具体的に言えば、太陽光のような光線のことで、光源に（太陽）に向かって、偏光板を360°（180°）くるくると回転させた時偏光板を通過した光源の明るさが回転角によらず同じ明るさになる場合の光源からの光線（の偏光状態）を「円偏光」として使っています。
通常の景色から到来する光線が上の意味での円偏光でありません。（偏光板を通過する景色を偏光板を回転させて見ると明るさが換わります。地平線方向の水平偏光成分が多いことが確認できます。）

偏光板については#9さんの回答の通りで偏光板がP波は通過するような入射面から到来する光線なら入射角のいかんに関わらずどの方向から入射しても透過する偏光はP偏光だけです。P偏光波のみしか通しません。

つまり、入射面と偏光板の置き方（P偏光波を通す方向に置く）が同じなら、（左上方45°の入射光でも右上方45°の入射光でも）入射角によらずP偏光波のみしか通しません。

以下の#9の追加質問での質問者さんの結論は間違っています。

>よって「P偏光だけ通す偏光板はない」と。。。なりません？？？

補足

回答ありがとうございます。

>つまり、入射面と偏光板の置き方（P偏光波を通す方向に置く）が同じなら、（左上方45°の入射光でも右上方45°の入射光でも）入射角によらずP偏光波のみしか通しません。

に間して左上方でも右上方でもとありますが、
前上方から（正面斜め上から机に入射）に関しても
同じことがいえるということでしょうか？
私が知りたいのは入射角依存ではなくて入射方位？依存
に関してなのですが。

トンチンカンな質問かもしれませんが、
ご回答のほど宜しくお願い致します。

回答No.9

paddler

すいません、「厳密な定義」と「便宜的な使い方」を区別しないで説明したので、少し整理しましょうか。

まず、用語が色々出てきてしまいました。P/S、TE/TM、水平/垂直、など。このあたりは、ウィキペディア（下記URL）に整理されていますので、ご一読を（ただし、なぜか最も一般的なP/S偏光は出ていなくてP/S波になっていますが）。

垂直入射は、P/SにしてもTE/TMにしても、光学的には「定義できない」のが正しい答えです。ただし、光学シミュレーションソフト（FDTD法での近接場計算など）では、例えば入射角を連続的に変えてP偏光の強度とS偏光の強度を計算していったときに、垂直入射のところへ来ていきなり「計算不可」としても困るので（しかもここではしょせんP偏光＝S偏光）、「問題ない方法で定義してしまおう」ということなのです。

> 90度逆の方向からの光に対してはS偏光を通してることになるのではないのでしょうか？

このご質問ですが、「90度逆の方向」っておかしい表現ですよね？
「180度逆の方向」だとすれば、（"本来は"、No.8さんが書かれているようにS/Pはその光線の"先"にある、入射するターゲットの平面に対しての定義なのですが）、今考えている系におけるP/S偏光の定義をそのまま使えば「P偏光を通すように置かれた偏光板（偏光子｝は裏から使ってもP偏光だけ通す」です。

あと（余計なお世話かも知れませんが）、「太陽光の円偏光・・・」の表現は違和感がありますね。太陽光は、互いにインコヒーレントでかつ時間コヒーレンスも低い自然放射の発光点の巨大な集まりですからそのままでは、いわゆるランダム偏光、自然偏光と呼ばれる混合状態です。もちろん、これを「直線偏光の混合状態」としても「円偏光の混合状態」としても構わないには構わない（∵直線偏光は正逆２つの円偏光の和）のですが、普通は「直線偏光の混合状態」と言いますね。ただし、少なくとも「１つの円偏光」という状態では絶対に有り得ませんが。もし、「あらゆる方向の振動成分を均等に含んだ状態」のことをイコール「円偏光」と表現しているなら間違いと言うことです（まさかそんなことはないと思いますが）。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%81%8F%E5%85%89

補足

>このご質問ですが、「90度逆の方向」っておかしい表現ですよね？

分かりにくい表現ですみません。
例えば、paddlerさんに出していただいた机の例でいいますと
机の上にある向きに置かれた偏光板があり
左手上方45度から机に入射してくるP波が透過するように合わせて
あるとします。
この偏光板に対して前方45度上方から入射してくる光線を考えると
この光線にとってはS波を通す偏光板に見えるのではないかということです。

よって「P偏光だけ通す偏光板はない」と。。。なりません？？？

回答No.8

info22

#4,7です。
補充です。
まとめて回答しておきます。
>「P偏光を通す方向に置いた偏光板」ですが
ある光線に対してはP偏光を通しても
90度逆の方向からの光に対しては
S偏光を通してることになるのではないのでしょうか？
よって、「P偏光だけ通す偏光板」は存在しない。と。
>この認識でよろしいでしょうか？
この認識が正しくありません。P偏光,S偏光は媒質や媒体の表面の平面について区別する言葉で、光源からの光線の振動面について言う言葉ではありません。色々な振動面を持った光（円偏光波とか偏った成分の光は楕円偏光波）が偏光板を通過すると偏光板の通過方向だけの振動面を持った偏光波だけになります。この偏光波はP偏光とかS偏光という言葉は使いません。媒質・媒体の表面に入社する時の面と光線の入射方向に関連して、P偏光、S偏光という言葉を使うということです。

回答No.7

info22

#4です。
自然界は水平偏光波が多くなっています。太陽と太陽の反対方向の空は円偏光、直角方向は水平偏光が多くなっています。
水面や雪面、どう路面のぎらつき、ガラスの反射などまぶしいぎらつく光は水平偏光によるもので、トータルとして自然界では、太陽光の円偏光に対して、水平偏光成分が非常に多くなっています。
水面の場合は入射角（太陽光と水面の法線とのなす角）が53度（ブリュースター角）で反射波が水平偏光波、屈折波（水中に進む光）が垂直偏光波となります（反射波と屈折波のなす角は90度の状態）。湖や河川や海の水面が波打っていますので水平偏光が多いですが、波の表面は水平でない部分もかなり含まれますので、局部的には水平偏光波でも、地平線に対しては平行になっていない並みの表面も含まれますので、水平偏光成分が多い偏光波となっています。
これらは2枚の偏光板を使って確認できます。

実例では以下のように水平偏光波をカットする製品に利用されています。
偏光サングラスはこの原理を利用して水平偏光偏光を遮断するように作られています。
http://www.konky-jp.com/eyegear/index9.htm
偏光サングラスの効果
カメラ用の偏光レンズや偏光フィルターも同じ原理を利用して使われる。
http://www.seaview.gn.to/cars/scrap/Polarize.htm
http://sakamoto-t.co.jp/lens/pola-1.htm
http://www.geocities.jp/oshinstokerstomozo/newpage24henkou.htm

回答No.6

walkingdic

そもそもある面に対して垂直に入射すると入射面自体が一義に定義できませんよね。（入射面とは入射光束と反射光束を面内に含む面で、当然にして物体面の法線も含みます）

ちなみにこの入射面に対して垂直な偏光（電場成分を偏光方向にとるのが慣習です）をｓ偏光（ドイツ語のsenkrechtから来た）、平行な偏光をｐ偏光（parallelから来ている）というわけです。

つまりあくまで角度の付いて斜めに入射する場合にのみ使います。

それ以外の場合ですと、ｓ，ｐという言い方はせずにＴＭ（Transverse Magnetic：磁場が横方向）、ＴＥ（Transverse Electric：電場が横方向）という言葉を使うことが多いですね。大地に対してＴＥ，ＴＭといえば限定されます。（勿論何かの面に対して使うことも出来ますけど）

お礼

回答ありがとうございます。
入射面＝光が入る物体の表面　と思い込んで
いたのがすべて間違いの始まりでした。
皆様の回答で勉強させていただきました。
ありがとうございました。

回答No.5

paddler

> (1)もし机に対して垂直方向から入射してくる光線があった場合、この光線にたいしてP波、S波は定義できないということになるのでしょうか？

そうなんです、その場合は区別できないんです。でも、それでは困る場合があるので、(x,y)座標系を定めてある場合は、垂直入射の場合も例えば便宜的にx方向の振動をP偏光、ｙ方向の振動をS偏光としたりします。

> (2)「P波だけ通す偏光板」は存在するのでしょうか？

あります(笑)。「Ｐ偏光を通す方向に置いた偏光板」がそれです。ちなみに「Ｓ偏光を通す方向に置いた偏光板」はＳ偏光しか通しません。お店ではどちらも「偏光板（偏光子）」として同じに販売されていますので、使うときに使い分けてください(笑)。

補足

何度もすみません
(2)についてなんですが、

「P偏光を通す方向に置いた偏光板」ですが
ある光線に対してはP偏光を通しても
90度逆の方向からの光に対しては
S偏光を通してることになるのではないのでしょうか？

よって、「P偏光だけ通す偏光板」は存在しない。と。

この認識でよろしいでしょうか？