4. A fény polarizációs állapotának leírása

A 2. és a 3. fejezetben láttuk, hogy egy monokromatikus hullám esetén a térerősség vektor végpontja egy ellipszis mentén mozog, ezért az ilyen hullámot ellipszisben poláros hullámnak neveztük el. A polarizációs állapotot a polarizációs ellipszis tulajdonságai határozzák meg. A polarizációs ellipszis három független paraméterrel jellemezhető. Ezek például lehetnek az ellipszis nagy illetve kis féltengelyeinek az A és B hosszai és a nagytengely adott irányhoz viszonyított állását megadó ψ segédszög, vagy az ellipszisben poláros rezgést két egymásra merőleges, mondjuk x és y irányú rezgés összegére bontva, a két rezgés A_x és A_y amplitúdói és a rezgések δ fáziskülönbsége. Ez utóbbi felbontást használva juthatunk el az R. C. Jones által bevezetett [1], így róla elnevezett Jones-féle vektorhoz. A Jones-vektor egy kétdimenziós oszlopvektor, amelynek az elemei a komplex térerősség komponenseit tartalmazzák, így a Jones-vektor alkalmazása olyan esetekben különösen előnyös, amikor a hullámok koherensek, hiszen ilyenkor a térmennyiségek adódnak össze a hullámok találkozása során. Mivel a Jones-vektor komponensei komplexek és a térerősséggel kapcsolatosak, így közvetlenül nem mérhetők.

A polarizációs állapot jellemezhető G. G. Stokes által bevezetett valós, a fény intenzitásával kapcsolatos mennyiségekkel, a Stokes-féle paraméterekkel, melyet egy 4 dimenziós vektorba, a Stokes-féle vektorba szokás rendezni [2-5]. A Stokes-féle leírás nagy előnye, hogy segítségével nemcsak a teljesen polarizált fény, hanem a nem polarizált illetve a részlegesen polarizált fény is leírható. Másrészt mivel a Stokes-paraméterek az intenzitással kapcsolatosak, a mai technikával közvetlenül mérhetők. Stokes eredményének 1852. évi publikálása [2] idején még nem állt rendelkezésre olyan detektor mellyel intenzitást lehetett volna mérni, így Stokes eredeti törekvése nem a mérhető mennyiségek bevezetése volt, hanem a nempolarizált vagy részlegesen polarizált állapot leírása volt a fő cél.

A fény polarizációs állapotát leíró Jones- vagy Stokes-vektor a fény terjedése, optikai elemeken való áthaladás során lineáris módon változik. Ekkor az optikai elemből ki- és belépő fény polarizációs állapotát leíró vektorok között egy mátrixszal való szorzás teremt kapcsolatot. Jones-féle leírásnál ezt a mátrixot nevezik az optikai elem Jones-féle mátrixának, míg a Stokes-féle leírásnál a mátrix az ún. Müller-féle mátrix [4-6].