椭圆偏振光是一种偏振光，其电矢量端点在与传播方向垂直的平面内描出的轨迹是椭圆[1][2]。在偏振光中它是最一般的情形，线偏振光与圆偏振光都可以视为它的特殊状态[3][4]。迎着光的传播方向观察，电矢量端点顺时针转动的称右旋椭圆偏振光，逆时针转动的称左旋椭圆偏振光[2]。这种光通常由两束频率相同、振动方向互相垂直、相位差固定的线偏振光叠加而成，也是椭圆偏振测量的基础[2][5]。
定义
光波的电矢量在与传播方向垂直的平面内振动，如果它的端点随时间描出的闭合曲线是一个椭圆，这样的光就叫做椭圆偏振光[1][2]。国际纯粹与应用化学联合会把电矢量端点沿椭圆移动的光束归入椭圆偏振，并指出端点沿直线运动的是线偏振光、沿圆周运动的是圆偏振光[4]。由于直线和圆都是椭圆的退化形状，线偏振与圆偏振因此被当作椭圆偏振的极限情形[3][4]，偏振光的这三种形态可用同一套参数描述。
椭圆偏振光可以分解为两束传播方向一致、振动方向互相垂直的线偏振光，它们频率相同并保持恒定的相位差[2]。椭圆的长短半轴长度、长轴取向以及电矢量的旋转方向，由这两个分量的振幅之比和相位差共同决定[6]。相位差取值不同，椭圆的形状与旋向随之改变[6]。
原理
设光沿 z 方向传播，电矢量可分解为 x、y 两个方向的分量 $E_x = E_{0x}\cos(\omega t - kz + \varphi_x)$ 和 $E_y = E_{0y}\cos(\omega t - kz + \varphi_y)$[6]。消去两式中的时间和坐标公共项后，两分量满足 $\left(\frac{E_x}{E_{0x}}\right)^2+\left(\frac{E_y}{E_{0y}}\right)^2-2\frac{E_xE_y}{E_{0x}E_{0y}}\cos\varphi=\sin^2\varphi$，其中 $\varphi$ 为相位差，这是一个一般的椭圆方程[6]。椭圆的长短半轴与倾斜取向随振幅比和相位差变化，相位差取 π 的整数倍时椭圆退化为直线，光仍是线偏振光；振幅相等且相位差为四分之一波长时则退化为圆[6]。
产生椭圆偏振光的常用办法是先让自然光通过起偏器得到线偏振光，再令其垂直透过一块波片[7]。只要线偏振的振动方向既不平行的也不垂直于波片光轴，光在波片内发生双折射，分成传播速度不同的 o 光与 e 光，出射时两者带上附加相位差，再合成后一般为椭圆偏振光[7]。当波片为四分之一波片且光轴与入射振动面成 45° 时，两分量振幅相等、相位差为四分之一波长，出射光就是圆偏振光[7][2]。
常用的产生光路可概括如下：
graph LR
A[自然光] --> B[起偏器] --> C[线偏振光] --> D[波片] --> E[椭圆偏振光]
在光学系统中，还常使用补偿器一类的器件，在两个相互正交的方向之间引入程差，把椭圆偏振光转换为线偏振光，以便测出椭圆的主轴方位和轴长比例[8]。
发展历程
1822 年，法国物理学家菲涅耳在向巴黎科学院提交的关于双折射的论文中，把介于线偏振与圆偏振之间的各种中间状态命名为椭圆偏振，椭圆偏振光这一术语由此沿用下来[3][9]。此前他已在实验中由线偏振光制得圆偏振光，并认识到后者可以看作两束偏振方向互相垂直、相差四分之一波长的线偏振光的合成[9]。
1887 年，德鲁德提出椭偏测量理论，并将其用于金属膜层厚度与光学参数的测量；1901 年他又提出由起偏器、相位补偿器、样品和检偏器组成的偏振分析结构[5]。19 世纪后期，法拉第、克尔和泡克耳斯先后发现磁光效应与电光效应，偏振光学的内容因此大为丰富[10]。也有研究把菲涅耳视为椭偏术的奠基人，理由包括他给出的偏振光反射定律以及对圆偏振、椭圆偏振的识别与产生[10]。
20 世纪后期以来，随着激光、自动化控制、计算机与光电探测技术的进步，光谱椭偏仪逐步实现商用，测量对象从单层薄膜扩展到多层膜和各向异性材料[5][11]。21 世纪以来，穆勒矩阵椭偏、弹光调制椭偏等新方案陆续出现，而中远红外波段的光谱椭偏仪大多仍处于实验研究阶段，测量耗时较长[5][11]。
应用
椭圆偏振光最主要的用途是椭圆偏振测量，简称椭偏测量：偏振光在样品表面反射或透射后偏振态会发生改变，通过测定反射光或透射光中 p 分量与 s 分量的振幅比和相位差这两个椭偏参量，可以进一步算出薄膜的折射率、消光系数和膜厚[5][11]。这类测量不接触样品，属于无损光学检测[11]。在 2100 至 3200 纳米波段开展的实验中，该类方法的膜厚测量精度可达 ±0.5 纳米以内[11]。
该方法在半导体集成电路、平板显示、光伏等行业用于薄膜厚度的监控与工艺控制，也可分析各向同性与各向异性材料的光学常数[11][12]。成像型椭偏仪还能对石墨烯、自组装单分子层以及蛋白质吸附过程做可视化的原位分析，厚度测量范围约为 1 纳米至 2 微米，折射率重复精度约为 0.0005[13][12]。
除测量之外，椭圆偏振光也出现在偏振态的检验与器件校准中。把四分之一波片与检偏器配合使用，可以把椭圆偏振光补偿回线偏振光，由此判断入射光的偏振状态[14][15]；补偿器正是通过在两个正交方向上引入程差来实现这种转换的[8]。
局限
椭圆偏振光的实验特征与部分偏振光相近，若只让光通过一块旋转的偏振片观察，两者都会表现为光强有起伏但不出现消光，因而无法据此区分[7][15]。要作出鉴别，必须在偏振片之前加入四分之一波片，并且使波片的快慢轴与椭圆的主轴方位对齐，椭圆偏振光才会被补偿为线偏振光，而部分偏振光经过波片后依然是部分偏振光[14][15]。
补偿器件的补偿量只在特定波长上才精确等于四分之一波长，因此用单块平行面波片作补偿时，只对某一波长的单色光严格成立[8]。椭圆偏振光的旋向和椭圆参数也无法由光强变化直接读出，需先借助补偿器等器件把它转化为线偏振光，再通过检偏器分析[8]。
就测量手段而言，椭偏测量属于间接方法，必须借助样品的光学模型对测得的椭偏参量进行拟合，才能得到膜厚与光学常数等结果[5]。在红外波段，受光源能量偏弱和红外偏振器件性能不理想的制约，相关光谱椭偏仪的发展相对缓慢，测量速度也难以满足快速检测的要求[11]。
参见
参考资料
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- [科普中国]-圆偏振光 . kepuchina.cn [引用日期2026-09-29]
- Elliptical polarization - Skip to main content . epfl.ch [引用日期2026-09-29]
- IUPAC Gold Book . iupac.org [引用日期2026-09-29]
- 文章编号：1002- 2082(2025)04- 0835- 07引用格式：张喆，李克武，王志斌，等 . researching.cn [引用日期2026-09-29]
- 線偏振、圓偏振及橢圓偏振 . ncku.edu.tw [引用日期2026-09-29]
- 光的偏振(PDF) . seu.edu.cn [引用日期2026-09-29]
- wave-plate . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- education.fr 上的网页 . education.fr [引用日期2026-09-29]
- S0040609010017025 . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- 第51卷第2期 . researching.cn [引用日期2026-09-29]
- 光谱椭偏仪 . nimte.ac.cn [引用日期2026-09-29]
- 公共技术中心 . cas.cn [引用日期2026-09-29]
- 椭圆偏振光与部分偏振光检验的理论分析 . wanfangdata.com.cn [引用日期2026-09-29]
- 麓邦商城—标量偏振光的检验 . lbtek.com [引用日期2026-09-29]
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最近更新：2026-09-29T11:29:40Z
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