含葡萄糖的混浊液后向散射特性的Mueller矩阵实验研究(4)
过程 ， 光的偏振性质会完全遭破坏 ， 而认为散射光的退偏过程是随机的 。 但在日后的
进一步研究中 ， 人们发现当以偏振光入射时 ， 葡萄糖溶液的后向散射光因为只经过有
限次散射而具有较好的保偏性 ， 偏振和光波的其他三个基本参数 （ 振幅 、 波长 、 相位 ）
具有同等重要的地位。在组织光学中，散射光的偏振退化、偏振分量之间的转换 、 自
然光散射后偏振分量的出现都是反映混浊介质综合结构的信息源。
2.1.1 偏振光及其数学描述
偏振光是指光矢量的振动方向不变，或以某种规则变化的光波。在大多数光学介
质中 ， 各种物理相互作用只与电场相关 ， 所以通常只选择电场矢量 E 来对光波的偏振
态进行描述 。 偏振光可分为完全偏振光与部分偏振光两大类 ， 其中完全偏振光又可分
为线偏振光 、 圆偏振光以及椭圆偏振光 。 单色光在自由空间的传播过程中 ， 如果电矢
量的大小随相位改变而方向保持不变的光被称为线偏振光 ； 如果电矢量的大小保持不
变 ， 而方向绕传播轴转动 ， 并且端点的轨迹是一个圆 ， 这种光被称为圆偏振光 ； 如果
电振动矢量的方向和大小都有规律的变化 ， 端点的轨迹是一个椭圆 ， 这种光称为椭圆
偏振光 ； 如果电振动矢量在各个方向上强度不等 ， 某一方向的振动比其他方向占优势 ，
这种光就是部分偏振光 [34]
。
光波偏振态的数学描述方法有电矢量分量法 、 Jone s 矢量法以 及 Stoke s 矢量法等 。
Jones 矢量用波前位置处互相正交的两个振动分量来表征处于完全偏振状态的光波，
是抽象数学空间而非真实物理空间的一个复矢量 。 Stokes 矢量能够用四个参数来对任
意光波进行描述 ， 其中包括自然光 、 完全偏振光和部分偏振光 。 Stokes 矢量中的每一象往往是部分偏振光 ， 而 Jones 矢量无法对部分偏振光进行描述 ， Stokes 矢量便显露
出了处理葡萄糖溶液偏光问题的优势。 Stokes 矢量的定义式为：
2.1.2 混浊介质偏振特性的矩阵光学方法
介质对入射偏振光的作用可以看作是一种 “ 变换 ” ，要定量描述这种变换需要能
表达光的偏振态的数学表达式和表征变换作用的计算模型 。 而通过矩阵方法来表示光
束和混浊介质的偏振特性是很方便的 ， 该方法能够把各种偏振变化都简化为矩阵的变
换和计算 ， 不必具体地考虑每个现象的物理过程就可以分析它们的综合作用 ， 不仅方
便，而且降低了出错的几率。
在矩阵光学方法中 ， 光束的偏振态由矢量表示 ， 对于完全偏振光 ， 我们可用 Jone s
矢量来表示它的偏振态，对于部分偏振光，人们常用 Stokes 矢量来表示。物质对光
束偏振态的变换作用则由矩阵表示 ， 常用于描述物质偏振特性的矩阵有 Jones 矩阵 和
Mueller 矩阵。在偏振光学的许多问题中， Jones 运算和 Mueller 运算都适用。由 于
Jones 运算能保留偏振光位相的绝对信息，在发生干涉效应的时候，或是使用激光器
造成的相干光的情况下 ， 选择 Jones 运算比较有效 。 然而 Jones 矩阵的某些元素是复
数，不能用实验方法直接测量，同时 Jones 运算不能处理部分偏振光的问题，这 时
Mueller 运算便显露出了它在处理实际问题时的诸多优势。
由于混浊介质对入射偏振光具有退偏作用，所以必须采用 Mueller 矩阵对其光学
特性进行描述 。 Mueller 矩阵是 4 4 × 矩阵 ， 适用于以 Stokes 矢量表示偏振光的情况 。