6-1偏振

Input light contains both polarizations
The light can excite electrons to move along the wires, which then emit light that cancels the input light. This cannot happen perpendicular to the wires. Such polarizers work best in the IR. Polaroid sheet polarizers use the same idea, but with long polymers.
y

D
x
z( K )
tan ( z , t )
Dy Dx

Dy0 cos(k z t y0 ) Dx0 cos(k z t x0 )
D矢量随时间t的变化规律
首先讨论 D 矢量的旋转方向问题。 设; kz x 0 0 , 有: tan ( z , t ) 说明
自然光
普通光源发出的光波。 电矢量 D 方向随时间 t 随机变化， 无规律可循， 具有下述性质。 （1）. 宏观上看:对普通光源来说，在任何时间间隔内，总是有大 量的发光粒子在同时发光或多次发光。 而不同粒子同一时刻的辐射或 同一粒子的不同时刻辐射,振动方向是随机的， 位相上是毫无关联的。 因此在宏观上看来，在任意考察点 z 处，总是同时存在所有振动方向 的 D 矢量， 这些 D 矢量形成了以 K 方向为对称轴的各向同性的等几率 分布,没有一个占优势的方向。
Dy0 sin(0 t ) cos(0 t ) cos(0 t )sin(0 t ) { } 2 Dx0 cos (0 t )
Dy0 sin 2 Dx0 cos (0 t )
① 当 0<δ<π时，sin δ>0, 所以 即：t↑, tanα↑ , α↑,
线偏振光的振动图和波形图
y

D
x
z( K )
Dy
Dx K(z)
圆偏振光及椭圆偏振光的
振动图和波形图(右旋)
y
x
右旋
y
x
右旋
2．偏振光的描述
（1）用 D 矢量的波函数来描述：(当光波在各向异性
媒质中传播时, 只有 D 具有横波性。) 设一维矢量波沿 z 轴方向传播,频率为ω,振幅为 D。 ，对 任意 z , t 的 D 矢量,总可以用其坐标轴分量表示：
Dx Dx cos( kz t x ) Dx D D y ， D D cos( kz t ) y y y
0 0 0 0
◆K 矢量平行于 z 轴,D 振动在 xy 平面内，D 对 K 而言是横波， D 和 K 确定的平面称为偏振面。 ◆ 在 z 点,t 时刻,D 矢量的方向 可用振动方位角 z, t 表示,规定: 迎着光观察， 角由 x 轴开始,逆 时针为正;顺时针为负.于是有:
（2）.如果追踪单个发光粒子，它在每一时刻发出光波 的 D 都具有确定的振幅和振动方向，但它的振幅和振动 方向均是随时间 t 随机变化的。 如果把每一个时刻 t 的 D 矢量用它的坐标轴分量表示，对自然光来说： Dx 和 D y 是没有关联的，即 D ， x0 机变化的，无规律可循。
Dy0
y0 x0 都是随时间 t 随
这是椭圆方程，说明公式(6-1) 表示椭圆偏振光， 且 0 为左旋， 2 为右旋。
2
2
公式（6-4）的证明：
设： x
kz t x0 y0 x0
Dx0 cos( x )
式(6-1)改写为： Dx
2 Dx Dx cos x sin x 1 2 得： ， Dx 0 Dx0
授课内容
红字标注的小节或段落不考核
• §6.1 光传播的各向异性过程及各向异性介质
（6.1.4 光波传播中的各向异性）
• §6.2 晶体光学概论(双轴晶体, 光线速度面，光学椭
球，双反射，圆锥折射，6.2.5 旋光)
• §6.3 偏振光的产生、转换和检验 • §6.4 偏振光干涉(6.4.3 会聚偏振光干涉) • ( §6.5 人为双折射)
<三> 媒质的光学各异性和各向异性媒质：
光波在媒质中传播时，如果媒质对不同振动方向 （严格说是对不同偏振态）的光波呈现不同的光 学性质（例如不同吸收系数或折射率等） ，这样 的现象称为光学各向异性。具有这种性质的媒质 称为各向异性媒质。与此相反的媒质为各向同性 媒质。
除了各向异性媒质能产生光学各向异 性，光波在各向同性媒质中传播时也会产 生光学各向异性：例如折反射、散射等。 此外，在外力作用下，各向同性媒质也会 产生光学各向异性，即人为双折射。 （如金 刚石的应力双折射）
自然光的振动图
部分偏振光
由同方向（ K ）传播的完全偏振光和自然光叠加（强度叠 加） 产生的光波。 为描述部分偏振光中完全偏振光和自然 光成分的比例大小，定义了偏振度 P
IP IP P I N I P IT
IT I N I P （总光强度）
0 P 1
虽然 D 大小方向随机分布，但 D 存在一个优势方向。
自然光通过人造偏振片的现象
This polarizer transmits horizontal polarization (of which there is very little).
Polarizer transmitting vertical polarization
Wire Grid Polarizer
红外偏振成像技术
制冷型量 子阱红外 热像仪 TL-8000 8-10微米
m
6.1.3 偏振的分类和描述
1．偏振光的分类：自然光、完全偏振光和部分偏振光。 自然光：由普通光源发出的光波，在任意考察点和任 意方向上 ，D 振动方向随 t 随机变化，无规律可循。 完全偏振光： D 的振动方向不随时间 t 改变或随时间 t 有规律变化。包含（P 态）（E 态）（C 态）等偏振态。 、 、 部分偏振光：偏振光和自然光混合（或强度叠加） 。
几个重要概念
一． <一.>光的偏振：
光波电位移矢量 D 在垂直于波矢 K 的二维空间 中， 按一定规律振动的现象称为光的偏振。 这是 光波横波性必然结果（注意：后面将要说明，在 各向异性介质中，只有电矢量 D 是横波，因此， 用电位移矢量 D 代表光波）
<二>偏振光：
又称为极化光（polarized light）是指在垂直于 波矢 K 的二维空间中，电矢量 D 随时间 t 有规律 变化的光波。最初主要是指线偏振光,因为线偏振 光的振动方向具有偏向性，所以叫偏振光。现在 则包括各种态的完全偏振光。 另一种观点，对自然光和部分偏振光来说，D 随 t 随机变化也是一种振动规律，所以将作为横波的 光波统称为偏振光，只是有不同的偏振状态而已。
<四>双折射：
1.（狭义双折射）是指不同振动方向的光波在各向异性媒质中 传播时，由于折射率不同，因而出现传播方向的差异的现象。 2.（广义双折射）是指由于光波的偏振态不同以及媒质的光学 各向异性所造成任何传播特性的差异，都可称为双折射。或者 说： 与光波偏振态和媒质光学各向异性有关的一切光学现象都 称为双折射。 （例如方解石双折射，二向色性，旋光等）
两点启示
第一个启示是：光束 A 在射入方解石和偏振片之前就包含了 两种成分，两种成分的差别只能是振动方向。只有横波才可 能在确定的传播方向上有不同的振动方向，说明光是横波。 这是发现双折射现象的历史意义之一；两束出射光有不同的 振动方向，说明在振动方向上具有偏向性，所以被称为”偏 振光”（或“极化光” ， ，英文为 polarized light） ，又称两 束光具有不同的“偏振状态” 。 第二个启示是：说明方解石和偏振片的光学性质（如折射率 或吸收率）与光振动方向有关，因而具有“光学各向异性” ， 于是称为“光学各向异性媒质” 。
d tan 0。 dt
D 逆时针方向旋转,称为左旋偏振光。 (与左旋螺纹方向一致) ② 当π<δ<2π时，sin δ<0 ，所以 即：t↑, tanα↓, α↓,
d tan 0。 dt
D 顺时针方向旋转,称为右旋偏振光。 (与右旋螺纹方向一致)
(2) 各种偏振态的具体描述
讨论方法是，利用 D 矢量的分量表达式，
6.1.2 偏振的研究内容和意义
1.研究内容：
偏振研究涉及光源（或入射光）的偏振态， 媒质的光学各向异性，系统输出光的光学特 性及参数（如输出光的传播方向、偏振态、 光强或光强分布）三要素。光的偏振即是研 究此三要素之间关系，即已知两要素，求出 第三要素的问题。
2．意义：
①理论意义：加深了对光的波动本性认识，对于波动学说 的建立和理论的发展具有重要作用。 ②应用价值：使光波增加了一个可以控制和利用（用于对 光信息编码）的自由度。 双眼立体视觉,红外偏振成像,偏振复用， 偏振全息； 测量太 阳磁场。光通讯,光学传感；偏振光干涉；电光、磁光效应。 光引擎中的 PBS 等。轴对称偏振光用于超分辨成像和光镊。
§6.1 光传播的各向异性过程及各向异性媒质
6.1.1 偏振、双折射现象及其启示
o-ray
no ne
e-ray
1669 年丹麦科学家巴塞林（Bartholin）发现双折射现象， 1690 年,惠更斯解释了光的偏振和方解石的双折射现象。
Calcite的双折射现象
Calcite is one of the most birefringent materials known.
物理光学
Optical Physics
Stress-Induced Birefringence in Diamond