2.5反射和折射的偏振特性

2.5反射率和透射率的偏振特性1.偏振度前面讨论了平面光波按其光矢量端点的变化轨迹定义的线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的偏振持性。实际上，由普通光源发出的光波都不是单一的平面波，而是许多光波的总和：它们只有一切可能的振动方向。在各个振动方向上振动的振幅在观察时间内的平均值相等，初相位完全无关，这种光称为完全非偏振光，或称自然光。1.偏振度如果由于外界的作用，使各个振动方向上的振动强度不相等，就变成部分偏振光。如果光矢量有确定不变的或有规则变化的振动方向，则称为完全偏振光。部分偏振光可以看作是完全偏振光和自然光的混合，而完全偏振光若不特别说明，都是指线偏振光。自然光（完全非偏振光）没有优势方向自然光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光垂直板面的光振动较强平行板面的光振动较强1.偏振度完全偏振光传向播方面振动面对光的传播方向看光振动垂直板面光振动平行板面.....起偏器检偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化.....起偏器检偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化.....起偏器检偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化.....起偏器检偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化.....起偏器检偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化.....起偏器检偏器自然光线偏振光两偏振片的偏振化方向相互垂直，光强为零。偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化.....检偏器自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光.....检偏器自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变.....检偏器自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变.....检偏器自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变.....检偏器自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变.....检偏器自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变为便于研究，可将任意光矢量视为两个正交分量（例如，s分量和p分量）的组合，因此，任意光波能量都可表示为sp①在完全非偏振光中，；②在部分偏振光中，；③在完全偏振光中，或或。spWWspWWs0Wp0W偏振度的定义是，在部分偏振光的总强度中完全偏振光所占的比例，即L153IpI总（）1.偏振度偏振度还可以表示为MmMm154IIpII（）①对于完全非偏振光，P=0；②对于完全偏振光，P=l；③一般的P值表示部分偏振光，P值愈接近l，光的偏振程度愈高。式中，IM和Im分别为两个特殊（正交）方向上所对应的最大和最小光强。1.偏振度2．反射和折射的偏振特性155rinWRW（）1）自然光的反射、折射特性由于入射的自然光能量且nspinisip1=(+)156222rsrprprs（）inisipisipWW由非涅耳公式可知，通常，rsrp，tstp，因此，反射光和折射光的偏振状态相对入射光发生变化。即使入射光是线偏振光，其反射光和折射光的振动方向也会发生变化。自然光的反射率为相应的反射光偏振度为rprspsrrprsps=157IIRRpIIRR（）折射光的偏振度为tptspsttptsps=158IITTpIITT（）22t22i11cos==;=cosriWWnRrTtWWn1）自然光的反射、折射特性1）自然光的反射、折射特性根据前面有关反射率和折射率的讨论，在不同入射角的情况下，自然光的反射、折射和偏振特性如下：①自然光正入射（1=00）和掠入射界面（1900）时，spsp,=RRTT因而rt==0PP即反射光和折射光仍为自然光。②自然光斜入射界面时，因Rs和Rp、Ts和Tp不相等，所以反射光和折射光都变成部分偏振光。221n21=(159)nnRnn③自然光正入射界而时，反射率为例如，光由空气（n1=1）正入射至玻璃（n2=1.53）时，Rn=4.3%；正入射至红宝石（n=1.769）时，Rn=7.7%；正入射至锗片（n3=4）时，Rn=36%。1）自然光的反射、折射特性④自然光斜入射至界面上时，反射率为221212n221212sin(tan(1=(160)2sin(tan(R））））随着入射角的变化，自然光反射率的变化规律为：（ⅰ）光由光疏介质射向光密介质（例如，由空气射向玻璃）时，由图可见，在1450范围内，Rn基本不变，且近似等于4.3％；在1450时，随1的增大，Rn较快地变大。1）自然光的反射、折射特性(ⅱ)光由光密介质射向光疏介质时，在入射角大于临界角范围内，将发生全反射。自然光反射率的变化规律为：02B1=arctan=5640nn由反射率公式可得Rs=15％，因此，反射光强rnispii1==(+)=0.0752IRIRRII(ⅲ)当1=B时，由于Rp=0，Pr=l，所以反射光为完全偏振光。例如，光由空气射向玻璃时，布儒斯持角为这说明反射光为偏振光，但反射光强很小。自然光反射率的变化规律为：tsisrsiii0.50.0750.425IIIIII所以透射光的偏振度为tptsttptsIIPII0.081因此，透射光的光强很大（It=0.925Ii），但偏振度很小。对于透射光，因Irp=0，有Itp=Iip。又由于入射是自然光，有Iip=0.5Ii。进一步，因为自然光反射率的变化规律为：1=B时，反射光只有s分量B—布儒斯特角或起偏角·······n1n212·自然光反射和折射后产生部分偏振光······n1n2B2线偏振光··S起偏振角····自然光反射率的变化规律为：由上所述可以看出，要想通过单次反射的方法获得强反射的线偏振光、高偏振度的透射光是很困难的。在实际应用中，经常采用“片堆”达到上述目的。“片堆”是由一组平行平面玻璃片（或其它透明的薄片，如石英片等）叠在一起构成的。将这些玻璃片放在圆筒内，使其表面法线与圆筒轴构成布儒斯特角（B)。自然光反射率的变化规律为：在激光技术中，外腔式气体激光器放电管的布儒斯待窗口，就是上述“片堆”的实际应用。如图所示，当平行入射面振动的光分量通过窗片时，没有反射损失，因面这种光分量在激光器中可以起振，形成激光。而垂直纸面振动的光分量通过窗片时，将产生高达15％的反射损耗，不可能形成激光。由于在激光产生的过程中，光在腔内往返运行，类似于光通过片堆的情况，所以输出的激光将是在乎行于激光管轴和窃片法线组成的平面内振动的线偏振光。自然光反射率的变化规律为：2）线偏振光反射的振动面旋转一束线偏振光入射至界面，由于垂直分量和平行分量的振幅反射系数不同，相对入射光而言，反射光的振动而将发生旋转。传向播方面振动例如，一束入射的线偏振光振动方位角ai=450，则其平行分量和垂直分量相等，即。若如图所示，该光的入射角1=400。则s分量和p分量的振幅反射系数分别为rs=-0.2845，rp=0.1245，反射光中二分量的振幅分别为(i)(i)0s0pEE(r)(i)(i)0ss0s0s(r)(i)(i)0pp0p0p0.28450.1245ErEEErEE2）线偏振光反射的振动面旋转因此，反射光的振动方位角为r0srr0p0.2845arctanarctan()=0.1245EE（）0（）6624相对入射光而言，振动面远离入射面。对于折射光，由于其s分量和p分量均无相位突变，且，所以at450，即折射光的振动面转向入射面。(t)()0p0stEE由此可见，线偏振光入射至界面，其反射光和折射光仍为线偏振光，但其振动方向要改变。2）线偏振光反射的振动面旋转rt0s0srtrt0p0ptan=;tan=(161)EEEE（）（）（）（）一般情况下，反射光和折射光的振动方位角可由下式分别求出：并且，假设方位角的变化范围是从－/2到/2。利用菲涅耳公式可以直接得到12ri12t12icos(tan=tancos((162)tancos(tan）））2）线偏振光反射的振动面旋转由于，所以有120π/2,0π/2rititantan(163)tantan(164)对于反射光，当1=0或1=/2，即正入射或掠入射时，(163)式中的等号成立，在一般入射角时，振动面远离入射面；对于折射光，当1=0，即正入射时，(164)式中的等号成立，在一般入射角时，振动面转向入射面。2）线偏振光反射的振动面旋转