高等光学偏振光学

高等光学研究生课程2光的偏振态及其表示方法光在介质分界面上的反射和折射第二章偏振光学内容提要3光的偏振态及其表示方法•偏振光概述及分类•完全偏振光的表示方法（椭圆、邦加球、斯托克斯参量）•相位波片•旋光现象第二章偏振光学4光学现象什么是偏振？5什么是偏振？电磁波是横波光的振动方向垂直于传播方向偏振光定义基于光波的电场分量，将光矢量在振动方向上的状态，称为光的偏振光矢量振动面v0HE6什么是偏振？7（1）界面的反射和折射特性随偏振状态而改变（2）介质吸收特性可能随偏振态而变化（3）物质散射偏振敏感（4）各项异性介质中光的传播特性，包括传播速度和相移，均偏振相关（5）某些材料具有旋光特性偏振有关的特性8（1）光的频率非常高，f=1014HZ（100THZ）；相对地，人耳听到的声波频率为20HZ~20kHZ，普通电磁波频率一般低于107HZ。光频远大于电子的固有频率而无法用电子仪器直接观察（2）机械波由机械振动产生，普通电磁波由电磁震荡产生，可通过参数控制；而发光是原子或离子在不同能级之间跃迁的结果光的基本特征91.自然光偏振光的分类2.线偏振光4.圆偏振光5.椭圆偏振光3.部分偏振光10大量原子自发辐射跃迁，光波在传播方向、振动方向、位相和频率随机，即不同原子同一时刻发出的光波没有关联，而同一原子在不同时刻光波无任何关联。光矢量E在在各个方向上的几率相等、相位差随机，这样的光称为自然光。1.自然光自然光z112.线偏振光（平面偏振光、偏振光）在垂直光波传播方向的某一固定方向上振动的光波光振动平行板面x光振动垂直板面x完全偏振光—线偏光12一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。沿x-y坐标光强分量021IIIyxxyOEExEy13起偏器：使非线偏振光变成线偏振光检偏器：检查入射光的偏振性偏振化方向自然光偏振片线偏振光起偏和检偏（1）用二向色性晶体（电气石晶体、硫酸碘奎宁晶体）（2）导电线栅-拉直的细电导体(金属、碘原子)-平行电场分量吸收，垂直分量透过.....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线偏振光的消光比最大透射光强最小透射光强消光比偏振光通过旋转的检偏器光强发生变化173.圆偏振光电矢量绕着传输方向匀速旋转，且电矢量大小保持不变，矢量端点的轨迹为圆4.椭圆偏振光电矢量绕着传输方向匀速旋转，矢量端点的轨迹为椭圆完全偏振光—圆/椭圆偏光185.部分偏振光分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的线偏振光。电矢量振幅在不同方向上有不同大小，称部分偏振光，它介于自然光与线偏振光之间部分偏振光的偏振度minmaxminmaxIIIIPmaxIminI偏振光的分类—部分偏振光190exp),(trkiAtrEncnk2偏振光的分类表述A:振幅，k:波矢量，:角频率，0:初始相位0Ek波数实部（实际电场）0cos),(trkAtrE20光的电场表示（x-y垂直方向两个分量，沿z方向传输）yyyxxxtAEtAEcoscos（恒定相位差(,]）xy0EExEyyExEEyx椭圆函数222sincos2yxyyxxAAAEAE描述光的偏振态的参数xyxyAAr,CircularPolarizationDemo：21122bEaEyx2222yxyxEEEE总光强恒定cossinsincosyxyyxxEEEEEEsincoscos2sincos22222yxyxAAAAacos22tan22yxyxAAAAsincoscos2cossin22222yxyxAAAAb椭圆函数可等效为22xyxE0)2(xExyyExyAA1tanxyAA1tan0)1(yE)4(0)3(xyyExEExyyExEExyyxxxtAEtAEcoscosxyyxxxtAEtAEcoscosyyyxtAEEcos00cosyxxxEtAE线偏光xyxyAAr,232,)1(0AAAyx2coscos00xyxxtAEtAE2,)2(0AAAyx2coscos00xyxxtkzAEtkzAE右旋光左旋光圆偏光2,1rLinear,CircularandEllipticalPolarizationAnimation:2443204振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差对应的光的偏振态432425432432404振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差对应的光的偏振态(r,)26cos122tan2rr主轴方向：方位角椭圆度：椭圆形状[椭圆度正负号“”表示旋光方向，如上所述]sin122sin2rryAxA偏振椭圆表示法(,)光的偏振态的表示方法(r,)27线偏光和圆偏光的电场空间分布示意图28庞加莱球（Poincaré，邦加球）：光的偏振态的几何表示光的偏振态的表示方法292,290,1oR庞加莱球（Poincaré，邦加球）（1）球坐标(S1,S2,S3)与光的偏振态一一相对应（2）线偏光：赤道(S1,90o,S3)如x偏振：(1,/2,0)y偏振：(1,/2,)（3）右旋圆偏光：北极(1,0,S0)左旋圆偏光：南极(1,0,S0)（4）右旋光：北半球(,S30)左旋光：南半球(,S30)光的偏振态的表示方法30线偏光和圆偏光在邦加球的标定光的偏振态的表示方法31斯托克斯参量sin2cos2,,22221220yxyxyxyxyxAASAASAASAASAA特点：（1）只有三个独立项（2）完整描述光强和光的偏振，包括完全偏振光、自然光及部分偏振光23222120SSSS如上所述，邦加球(R,,)只表示了光的偏振态，但并不表示光的强度，而斯托克斯参量既表示光的偏振，又表示光强2sin2sin2cos2cos2cos2,2,0302010SSSSSSS(S1,S2,S3):邦加球上的直角坐标点光的偏振态的表示方法32相位波片（相位延迟片）33波片制造时通常标出快（或慢）轴，晶体中波速快的光矢量的方向为快轴，与之垂直的光矢量方向即为慢轴负单轴晶体时，e光比o光速度快，快轴在e光矢量方向即光轴方向，o光光矢量方向为慢轴，正晶体正好相反波片产生的相位差是慢轴方向光矢量相对于快轴方向光矢量的相位延迟量相位波片34),3,2,1,0(22mmdnneo玻片厚度mdnne01、全波片相位延迟特点：产生2整数倍的相位延迟；不改变入射光的偏振态)12(2mdnneo特点：增加的相位延迟（1）使线偏振光的偏振方向旋转一定角度（2）使圆偏振光的旋转方向发生逆转（3）使椭圆偏振光旋转方向逆转,同时长轴转过一定角度2、半波片2mdnneo相位波片35半波片36特点：增加/2的相位延迟（1）可使线偏振光变成圆或椭圆偏振光（2）使圆或椭圆偏振光变成线偏振光3、1/4波片22mdnneo42mdnneo相位波片374、波片的几个特点（1）相位延迟量的大小与波长相关（2）可改变入射光的偏振态；自然光经波片后仍是自然光（3）为了达到改变偏振态的目的，可使波片的快（慢）轴与入射光矢量有一定夹角，以便在两个互相垂直的光矢量间引入一定的位相延迟相位波片38*旋光现象线偏振光通过某些透明物质时，线偏振光的振动面将旋转一定的角度，这种现象称为振动面的旋转，也称旋光现象。..CS1P2P旋光物体未放置C，P2后视场黑暗放置C后，旋转P2一定角度，视场又变黑暗391、不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面向不同方向旋转。右旋物质左旋物质2、振动面的旋转角与波长有关，波长给定则与旋光物质的厚度l有关。l旋光本领、旋光率3、偏振光通过糖溶液、松节油时，振动面的旋转角cl旋光物质的浓度c4、磁致旋光：法拉第效应、康顿-莫顿效应40*旋光现象41汽车车灯偏振光的应用42LCD液晶显示器基于偏振光的工作原理LCDLightPolarization：偏振光的应用43偏振光的应用3D电影