光の偏光状態って？

偏光状態っていう意味が分からないので教えてください。
一応いろいろなホームページとかで調べたのですが、
・ 光は進行方向に垂直な面に対し、様々な方向に振動している
・ 偏光というのは、ある特定方向への振動成分のことをいう
というので合ってるでしょうか？
で、分からないのは、直線偏光、垂直偏光、円偏光って何か？っていうことです。しかもこれらってどちらの状態かを同時に測定することはできないんですよね？
どうして測定できないんでしょう？

No.4 回答者： noname#11476 回答日時： 2001/10/17 09:48

補足読みました。

そう言う話ですか。
siegmundさんフォローありがとうございます。

siegmundさんが言われたように、「光子」の世界になると色々な物理量同士が不確定性原理に従いますので単純では無くなります。
たとえば光子の位置と運動量の関係なども同時に正確には測定できません。（これ故にヤングの干渉縞が出来るとも言えます）

なので、「特殊」な世界であると考えて下さい。
「どうして測定できないのか？」に一番簡単な答はsiegmundさんの答えですね。
更に追求しようとすると、「不確定性原理」という量子力学の根幹の問題に挑戦しないといけなくなります。
（光特有の話ではなくて量子力学の話になります）

では。

No.3 回答者： siegmund 回答日時： 2001/10/17 01:19

物理屋の siegmund です．

量子暗号は直接の専門じゃないですが，
jyuka さんと mickjey2 さんの書かれていることに矛盾があるように見えるのは
次のような事情であります．

mickjey2 さんが
>> しかもこれらってどちらの状態かを同時に測定することはできないんですよね
> これは意味不明ですね。検光子、リターダーなどを用いればどんな偏光状態でも測定可能です。
と書かれているのは，通常の光(マクロな数の光子がある)で，
古典的扱いができる場合の話です．
常識的にはこちらですね．

一方，量子暗号の話は，光子１個に対する話です．
測定によって，対象物の状態を乱してしまうという量子論的効果が
顕著になります．
だから「量子」暗号なのです．

No.2 ベストアンサー 回答者： noname#11476 回答日時： 2001/10/16 17:35

まず、偏光とはなんぞやというのはNo.1の方が解答してくれてますね。

「光の偏光方向は？」と聞くと「電場」の振動方向を指します。

さて、光の偏光には、
「直線偏光」と「円偏光」（楕円偏光も含めて）の２つの偏光状態があると考えるとわかりやすいです。

直線偏光：光が進んでも偏光方向は変わらずに一定方向

円偏光（楕円偏光）：偏光方向がくるくる回転している状態。
光は進んでいますのでもちろんある位置の一点を眺めるとくるくる回っているし、時間を止めて眺めると螺旋状になって見えるわけです。
この場合は右回りと左回りの２通りがあり得えて、右回り円偏光、左回り円偏光と呼びます。
楕円偏光は要するにこの円偏光で一回転するまでの強度が強いところと弱いところがあって楕円になっているということです。

「垂直偏光」という言葉は偏光状態を表すためには使われません。
これはおそらく何かの対象物に対して「水平」か「垂直」かを言いたいために使われたのでしょう。
何も該当する対象物か示されていない場合は、暗黙の了解として地面を基準とします。

偏光の方向を示す言葉として、ＴＥ(Transverse Electric field）、ＴＭ(Transverse Macnetic field)という言葉も使われます。
ＴＥは電場が横方向なので「水平偏光」、ＴＭは磁場が横方向なので「垂直偏光」となります。

特に物体に斜めに入射した光の偏光方向とその物体との関係を表すためにｓ偏光、ｐ偏光ということばもあります。
ｓ偏光：入射面に対して垂直な偏光方向
ｐ偏光：入射面に対して水平な偏光方向

>しかもこれらってどちらの状態かを同時に測定することはできないんですよね
これは意味不明ですね。検光子、リターダーなどを用いればどんな偏光状態でも測定可能です。
特にこの偏光状態を調べる測定方法のことを「エリプソメトリー」と言います。これは薄膜の膜厚測定などいろいろな用途に使われています。

です。

この回答への補足

分かりやすい解説をありがとうございます。
どうしてこういうことを知りたいかというと、例えば、
http://www.tamagawa.ac.jp/SISETU/GAKUJUTU/pderc/ …
のように、量子暗号は直線偏光と円偏光を区別して測定できないことを安全性の根拠においているようなのです。
なので、この HP には不確定性原理により測定できないと書かれていますが、どうして直線偏光と円偏光では区別して測定できないのか、その辺のことが知りたかったのです。

補足日時：2001/10/16 19:43

No.1 回答者： Xxxa 回答日時： 2001/10/16 14:30

光（電磁波）は、波としては電場と磁場からなっています。

それら電場・磁場は、
電磁波の進行方向に垂直な面の方向に波として振動しています。
光と物質との相互作用は、主に電場との相互作用で行われますので、電場方向を
考えれば十分です。
＞ 光は進行方向に垂直な面に対し、様々な方向に振動している
上の意味で、その通りです。
＞ 偏光というのは、ある特定方向への振動成分のことをいう
これも、直線偏向ならそうです。
垂直偏向というのは、光の透過対象となる偏向物質（？）に対しての相対的な向きのことです。
円偏向は、電場の向きが時間とともに変わる（一定に）偏向です。
進行方向に垂直の面ですので、右回りと左回りがあります。
残りは、直線偏光、垂直偏光、円偏光と同列になってますので、少し混乱されているかもしれませんが、量子力学の基本に関係します。
後半の質問には、誰かわかりやすい回答を寄せられることを期待しています。

この回答への補足

ええと、つまり、
直線偏光 = 名の通り、直線的にある方向にだけ向いている
垂直偏光 = 直線偏光に対して、直交な偏光？　でもその向きには光は振動してないですよね？　光が進行方向に対して垂直な面で振動しているのならば。
円偏光 = 名前の通り、進行方向の軸周りに、ぐるぐる回っている（よって時間と共に向きが変わる？？？）と考えていいってことでしょうか？

補足日時：2001/10/16 14:54