「入門」 偏光とリタデーション

「偏光解析」

普段聞き慣れない言葉ですが、大昔、アイスランドのバイキングは、太陽や星が雲に隠れると透明度の高い方解石「アイスランドスパー（氷州石）」の結晶を使って方位を把握し船の舵を取っていた、という、という伝説があるそうです。

方解石は偏光プリズムの材料です。バイキングはこの方解石を「サンストーン（太陽の石）」と名付けていました。サンストーンを透過した太陽光（２重像）を利用して、方位磁石の代わりにしていたようです。

バイキングが「偏光解析していた」と言っても過言ではないと思います。おそらく、バイキングには、その意識はなかったと思います。当時はまだ、羅針盤が発明されていなかった頃です。

航海を成功させるため、つまり生き抜くために方位を知る手法としておこなった行為のはずです。大昔にバイキングが偏光解析をしてたなんて…。
ロマンを感じるのは私だけでしょうか？

ところで、「偏光」とは何でしょうか？

光には波の性質と粒子の性質がありますが、偏光は波の性質の分類になります。通常の外部影響のない光は自然光といいます。自然光の波はあらゆる方向に振動しています。自然光に対し、特定の方向に振動しているものや規則的に振動しているものを「偏光」といいます。

特定の方向に振動しているものを直線偏光、規則的に振動しているものには楕円偏光や円偏光があります。楕円偏光と円偏光は波の軌跡の形により分類されています。

また、自然光と偏光が混在する場合は部分偏光といいます。
計測機器では、主に自然光や偏光を測定・解析します（図１） 。

前述のバイキングが測定・解析していたのは部分偏光ということになります。

あらゆる方向へ振動する自然光から一方向の振動である直線偏光を取り出す光学素子を「偏光子」といいます。

偏光子にはブロック状の偏光プリズム（図２）と板状の偏光板（図３）があります。偏光プリズムは複屈折性結晶の特性や偏光方向による全反射角の違いを利用して偏光分離する光学素子です。バイキングが使ったサンストーン（方解石）も複屈折性結晶です。

一方、一般的な偏光板は物質の吸収特性の方位角依存（二色性）を利用して偏光分離する光学素子です。通常、偏光板はPVA（Polyvinyl alcohol）フィルムを一方向に引っ張りながらヨウ素溶液に漬け込むことにより作成します。PVAフィルムは吸湿性が高いため、ヨウ素を吸収します。さらにフィルムを延伸させることによりヨウ素がフィルムの遅相軸に沿って配向されます。配向したヨウ素は一方向の光のみ透過しその他の方向の光を吸収します。このような性質を二色性といいます。 偏光板はこの二色性により偏光子として機能します。PVAフィルムは物理的に脆いため、通常、2枚のTAC（Tri acetyl cellulose）フィルム等の基板フィルムの間に挟んで使用します。

他に板状の偏光板でもワイヤグリッド偏光板のように金属ナノワイヤによる偏光分離性を利用したものや、ガラス偏光板のようにガラス内部に金属を配向させてその金属粒子の表面プラズモン吸収を利用したもの、ハイブリッド型などその他の方式の偏光子も存在します。

どの方向においても屈折率が同じ物質は光学等方性物質、方向によって屈折率が異なる物質は光学異方性物質といいます。

光学等方性物質の屈折率は１つですが、光学異方性物質は屈折率を複数持ちますので複屈折性物質ともいわれます。

偏光プリズムの材料である方解石（Calcite）の結晶、液晶等の棒状分子、１方向へ延伸された位相差フィルム等がこれにあたります（図４）。

屈折率は下記の式で表されます。

この式より屈折率が高いと内部を透過する光速度は遅くなり、屈折率が低いと光速度は速くなることがわかります。また、複屈折性の物質の場合、方位により屈折率が異なるため、入射する直線偏光の振動方位により内部を透過する光速度が異なることになります。

複屈折性の物質で、屈折率が高い方向を遅相軸（Slow Axis）、屈折率が低い方向を進相軸（Fast Axis）といいます。また、遅相軸と進相軸を合わせて光学軸または軸といいます。
遅相軸あるいは進相軸方向に直線偏光を入射する場合、物質内部では屈折率により光の速度は低下しますが、物質透過後は同じ空気中ですので元の速度に戻ります。したがって、位相差は生じません。

遅相軸あるいは進相軸と異なる方向に直線偏光を入射するとx成分とy成分で光速度が異なるため、物質を透過すると位相差が生じます。

この位相差は軸に対して方位角45°の時に最大となります。
複屈折性物質による位相差を複屈折位相差「リタデーション（R_e ）」といいます。

実際には物質の屈折率は光の波長により異なるため、当然波長によりリタデーションも異なります（リタデーションの波長分散）。