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首先，我們來(lái)看看一個(gè)最簡(jiǎn)單的平面波的傳播圖：

我們可以看到，對(duì)于平面波而言，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是垂直于傳播方向的。當(dāng)然，我們上面這幅圖沒有針對(duì)特定的坐標(biāo)系，我們現(xiàn)在把電磁場(chǎng)放到直角坐標(biāo)系里面，這個(gè)坐標(biāo)系是我們所熟悉的，也更加喜歡這樣的表示。

我們把每一個(gè) zz 位置的電場(chǎng)和磁場(chǎng)都表示成兩個(gè)向量（圖中的紅色箭頭和藍(lán)色箭頭）。那么我們可以想象得到：在各種各樣的電磁波的傳輸過程中，這些電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量的幅值、方向都有可能發(fā)生變化。

例如我們看上圖這個(gè)電場(chǎng)（紅色箭頭），在這種電磁波下，紅色矢量（電場(chǎng)矢量），他在半個(gè)周期里面相位不變（因?yàn)槎际秦Q直朝上的），但是幅度在改變；在后半個(gè)周期里面，相位相比前半個(gè)周期發(fā)生了 180°180° 的變化，同時(shí)，幅度變成負(fù)的。

這只是某一個(gè)特殊的例子，但這個(gè)例子卻告訴我們：某些形式的電磁波，它們的電場(chǎng)矢量或者是磁場(chǎng)矢量的變化可能會(huì)存在某些有趣的規(guī)律。

到底是什么規(guī)律呢？—— 我們要研究某一樣事物變化的規(guī)律時(shí)，總希望能夠找到一種媒介去反應(yīng)這樣的變化。幸運(yùn)的是，在這里我們找到了：既然是要研究矢量變化規(guī)律，那么我們不妨看看這個(gè)矢量的末端在 x-yx?y 平面d的投影規(guī)律！ 當(dāng)然，這句話的前提是電磁波沿著 zz 軸傳播。

那么，下面我們給出更專業(yè)的表述：電磁波的極化研究的是波的電場(chǎng)矢量的指向在空間的變化規(guī)律。換句話是就是看電場(chǎng)矢量（上圖的紅色箭頭）的末端隨著時(shí)間變化的軌跡特性。

那么下面我們看看一些電磁波，紅色箭頭始終是電場(chǎng)矢量。我們直觀看看紅色矢量末端在 x-yx?y 投影的軌跡是怎么變化的：
p

我們能夠看到，紅色矢量末端在后面那個(gè) x-yx?y 平面的投影軌跡就是一條直線！

我們?cè)倏匆粋€(gè)：

我們又發(fā)現(xiàn)：這次電場(chǎng)矢量末端的投影軌跡是一個(gè)圓形！

通過上面的初步印象，我們我們引出極化的分類：根據(jù)電場(chǎng)矢量末端投影的形狀來(lái)確定極化的類型。當(dāng)軌跡是一條直線時(shí)，稱為直線極化；當(dāng)軌跡是一個(gè)圓形時(shí)稱為圓極化；當(dāng)軌跡是橢圓時(shí)稱為橢圓極化。

OK！總算弄明白啥是極化了，下面我們具體分別來(lái)看看線極化、圓極化和橢圓極化的特點(diǎn)和判別方式。

直線極化（特點(diǎn)與判別）

既然我們清楚了電場(chǎng)矢量末端投影是直線的，我們稱之為直線極化。那么我們直接看投影平面就好了：

但是看圖之前，我們先明確一件事情：我們?cè)趧倓偟膭?dòng)圖里面所看到的電場(chǎng)：EE ，其實(shí)是由 xx 方向的 E_x(z, t)Ex(z,t) 和 yy 方向的 E_y(z, t)Ey(z,t) 合成的。我們?cè)O(shè) E_x(z, t)Ex(z,t)，E_y(z, t)Ey(z,t) 分別表示為：E_x(z, t) = E_{xm}cos(ωt - βz + φ_x)\\ \space\\ E_y(z, t) = E_{ym}cos(ωt - βz + φ_y)Ex(z,t)=Exmcos(ωt?βz+φx) Ey(z,t)=Eymcos(ωt?βz+φy)

所以 \bar{E}Eˉ 就可以表示為：\bar{E} = \bar{a_x}E_x(z, t) + \bar{a_y}E_y(z, t)Eˉ=axˉEx(z,t)+ayˉEy(z,t)

OK！下面我們看下面兩種情況：E_x(z, t)Ex(z,t) 與 E_y(z, t)Ey(z,t) 同相， 和180°的反向：

所以直線極化，電場(chǎng)矢量末端的投影軌跡就是一條直線。

我們剛剛只是直觀地體會(huì)了一下，下面是數(shù)學(xué)證明：（這部分讀者可以選擇性地看看）

首先為了簡(jiǎn)便起見，我們?nèi)?nbsp;z = 0z=0 的平面分析。下面先看看 E_x(z, t)Ex(z,t) 與 E_y(z, t)Ey(z,t) 同相 的情況，即：φ_x = φ_yφx=φy ，那么我們可以假設(shè)：φ_x = φ_y = 0φx=φy=0，那么，E_x(z, t)Ex(z,t) 與 E_y(z, t)Ey(z,t) 就可以表示成：E_x(z, t) = E_{xm}cos(ωt)\\ \space\\ E_y(z, t) = E_{ym}cos(ωt)Ex(z,t)=Exmcos(ωt) Ey(z,t)=Eymcos(ωt)

所以：\bar{E}Eˉ 就是他倆的合成：\bar{E} = \bar{a_x}E_{xm}cos(ωt) + \bar{a_y}E_{ym}cos(ωt)Eˉ=axˉExmcos(ωt)+ayˉEymcos(ωt)

下面我們看看 \bar{E}Eˉ 的幅值：|\bar{E}| = \sqrt{(E_{xm} + E_{ym})^2cos^2(ωt)}∣Eˉ∣=(Exm+Eym)2cos2(ωt)
我們從表達(dá)式也可以看出，電場(chǎng)矢量的幅值（也即是上文所說(shuō)的紅色矢量的長(zhǎng)度）會(huì)一直在變化。

下面我們看 \bar{E}Eˉ 的相位：φ = arctan(\frac{E_{ym}cos(ωt)}{E_{xm}cos(ωt)}) = arctan(\frac{E_{ym}}{E_{xm}})φ=arctan(Exmcos(ωt)Eymcos(ωt))=arctan(ExmEym)
我們發(fā)現(xiàn)相位是一個(gè)定值！

那么，E_x(z, t)Ex(z,t) 與 E_y(z, t)Ey(z,t)反向的情況也是類似，就不再贅述了。

所以剛剛 bb 了那么多，下面我們就簡(jiǎn)單粗暴地給出判斷是不是直線極化的大招 —— 其實(shí)剛剛也說(shuō)過了：兩個(gè)電場(chǎng)分量： E_x(z, t)Ex(z,t) 與 E_y(z, t)Ey(z,t) 同相或者是相位相差180°時(shí)，就是直線極化！

擴(kuò)展

生活中我們也常見到兩種特殊的直線極化——垂直極化和水平極化：

圓極化

這次我們先給出判斷圓極化的方法：

1. 兩個(gè)電場(chǎng)分量 E_x(z, t)Ex(z,t) 與 E_y(z, t)Ey(z,t) 的幅值相同，即 E_{xm} = E_{ym}Exm=Eym

2. 兩個(gè)電場(chǎng)分量 E_x(z, t)Ex(z,t) 與 E_y(z, t)Ey(z,t) 相位相差 ±90°

在大家掌握了直線極化的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之后，其實(shí)圓極化可以直接秒殺了。我們還是一樣的辦法：

1. 假設(shè)在 z = 0z=0 平面上。并且令 φ_x = φ_x ± 90°φx=φx±90°

2. 然后我們就表示 \bar{E}Eˉ ，分別計(jì)算它的幅值和相位。

然后我們就發(fā)現(xiàn)，它的相位是變化的，但是幅度是一直保持不變的。所以軌跡就是一個(gè)圓啦。

圓極化的方向——左旋極化 or 右旋極化

下面給大家支一招：
假設(shè)電磁場(chǎng)沿著 zz 軸正方向傳播。
【第一步】：我們就看 E_x(z, t)Ex(z,t) 與 E_y(z, t)Ey(z,t) 的相角 φ_x, φ_yφx,φy
【第二步】：如果 φ_x> φ_yφx>φy，那么我們就說(shuō)：xx 分量超前 yy 分量。
【第三步】：下面我們讓大拇指先指向電磁波前進(jìn)的方向（這里是 zz 軸正方向），然后四指從超前的分量（此處是 xx 分量）轉(zhuǎn)向滯后的分量 （此處就是 yy 分量）。
【第四步】：此時(shí)我們看看自己用的是哪知手，用的是右手的話就是右旋極化；用的是左手的話就是左旋極化

橢圓極化

相信大家看到這兒，已經(jīng)對(duì)極化有了一個(gè)較為詳細(xì)的認(rèn)識(shí)了。那么我們最后介紹的一種，也是最一般的情況，就是橢圓極化。顧名思義，就是電場(chǎng)矢量末端的軌跡是一個(gè)橢圓。下面說(shuō)一下判斷標(biāo)準(zhǔn)：

只要 E_x(z, t)Ex(z,t) 與 E_y(z, t)Ey(z,t) 的相位和幅值是任意的，就是橢圓極化。

對(duì)于橢圓極化，也分成右旋橢圓極化和左旋橢圓極化。判斷方法和上述的一模一樣。

OK！最后我們就一睹三種極化的全面貌吧！