高等光学偏振光学PPT课件
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8
偏振光的分类
1. 自然光 2. 线偏振光 3. 部分偏振光 4. 圆偏振光 5. 椭圆偏振光
9
自然光
1. 自然光
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。
E Exx Eyy
Ex Axcostx
Ey Aycosty
y
Ey
E
0 Ex x
描述光的偏振态的参数 r A yA x, yx
（恒定相位差(, ]）
椭圆函数
E Axx2E Ayy22cAxoA yssi2n
Circular Polarization Demo： 20
椭圆函数可等效为
Leabharlann Baidu
Ex a
12
起偏和检偏
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
（1）用二向色性晶体（电气 石晶体、硫酸碘奎宁晶体）
偏振片
偏 振
（2）导电线栅-拉直的细电导
化
体(金属、碘原子)-平行电场 自然光
方
分量吸收，垂直分量透过
向
线偏振光
13
偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化
自然光
....
.
线偏振光
2
Ey b
2
1
a2 Ax2co2sAy2sin2 2AxAycoscossi n
b2 Ax2sin2Ay2co2s 2AxAycoscossi n
tan2
2AxAy Ax2 Ay2
c
os
Ex ExcosEysi n Ey Exsi nEycos
总光强恒定 Ex2 Ey2 Ex2Ey2
21
线偏光
•• •
z
10
完全偏振光—线偏光
2. 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
x
光振动平行板面
••• •••
x
光振动垂直板面
11
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。
y
Ey
E
O Ex x
沿x-y坐标光强分量 1
Ix Iy 2 I0
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化
自然光
....
线偏振光 .
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
线偏振光的消光比
消光比
最小透射光强 最大透射光强
完全偏振光—圆/椭圆偏光
3. 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
高等光学
研究生课程
第二章 偏振光学
内容提要
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
2
第二章 偏振光学
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
3
什么是偏振？ 光学现象
4
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
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
17
偏振光的分类—部分偏振光
5. 部分偏振光
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
分解为两束振动方向相互垂直的、不等 幅的线偏振光。
部分偏振光的偏振度 P Imax Imin Imax Imin
R 1 , 9 o 2 0 , 2
（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)
振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差对应的光的偏振态
3 4
2
4
0
4
2
3 4
24
振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差对应的光的偏振态 (r, )
3 4
2
4
0
4
2
3 4
25
光的偏振态的表示方法
偏振椭圆表示法 (, ) (r, )
主轴方向：方位角 tan212rr2 cos
Ay
椭圆度：椭圆形状
sin212rr2 sin
Ax
[椭圆度正负号“”表
示旋光方向，如上所述]
26
线偏光和圆偏光的电场空间分布示意图
27
光的偏振态的表示方法
庞加莱球（Poincaré，邦加球）： 光的偏振态的几何表示
28
光的偏振态的表示方法
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
E
0
H
光矢量 振动面
v
5
什么是偏振？
6
偏振有关的特性
（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
7
光的基本特征
（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
(1) Ey 0
r A yA x, yx
Ex Axcostx
Ey 0
y
(2) Ex 0
Ex 0
Ey Aycosty
y
Ex
x
Ey
x
(3) 0
Ey
Ex Axcostx Ey Aycostx
y
E
Ex x
tan1 Ay
Ax
(4)
E Ex
Ex Axcostx Ey Aycostx
y
Ey
x
tan1 Ay
Ax
22
圆偏光 r1 , 2 (1)A xA yA 0,2
右旋光
ExA0costx EyA0costx2
(2 )A xA yA 0, 2 ExA0co ks ztx
左旋光
EyA0co ks ztx2
Linear, Circular and Elliptical Polarization Animation: 23
I max I min
18
偏振光的分类表述
E ( r , t ) A eik x r p t 0
A:振幅，k:波矢量，:角频率，0:初始相位
波数 k2 nn c
kE0
实部（实际电场）
E ( r ,t ) A ck o r s t 0
19
光的电场表示（x-y垂直方向两个分 量，沿z方向传输）
偏振光的分类
1. 自然光 2. 线偏振光 3. 部分偏振光 4. 圆偏振光 5. 椭圆偏振光
9
自然光
1. 自然光
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。
E Exx Eyy
Ex Axcostx
Ey Aycosty
y
Ey
E
0 Ex x
描述光的偏振态的参数 r A yA x, yx
（恒定相位差(, ]）
椭圆函数
E Axx2E Ayy22cAxoA yssi2n
Circular Polarization Demo： 20
椭圆函数可等效为
Leabharlann Baidu
Ex a
12
起偏和检偏
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
（1）用二向色性晶体（电气 石晶体、硫酸碘奎宁晶体）
偏振片
偏 振
（2）导电线栅-拉直的细电导
化
体(金属、碘原子)-平行电场 自然光
方
分量吸收，垂直分量透过
向
线偏振光
13
偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化
自然光
....
.
线偏振光
2
Ey b
2
1
a2 Ax2co2sAy2sin2 2AxAycoscossi n
b2 Ax2sin2Ay2co2s 2AxAycoscossi n
tan2
2AxAy Ax2 Ay2
c
os
Ex ExcosEysi n Ey Exsi nEycos
总光强恒定 Ex2 Ey2 Ex2Ey2
21
线偏光
•• •
z
10
完全偏振光—线偏光
2. 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
x
光振动平行板面
••• •••
x
光振动垂直板面
11
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。
y
Ey
E
O Ex x
沿x-y坐标光强分量 1
Ix Iy 2 I0
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化
自然光
....
线偏振光 .
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
线偏振光的消光比
消光比
最小透射光强 最大透射光强
完全偏振光—圆/椭圆偏光
3. 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
高等光学
研究生课程
第二章 偏振光学
内容提要
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
2
第二章 偏振光学
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
3
什么是偏振？ 光学现象
4
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
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
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偏振光的分类—部分偏振光
5. 部分偏振光
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
分解为两束振动方向相互垂直的、不等 幅的线偏振光。
部分偏振光的偏振度 P Imax Imin Imax Imin
R 1 , 9 o 2 0 , 2
（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)
振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差对应的光的偏振态
3 4
2
4
0
4
2
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振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差对应的光的偏振态 (r, )
3 4
2
4
0
4
2
3 4
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光的偏振态的表示方法
偏振椭圆表示法 (, ) (r, )
主轴方向：方位角 tan212rr2 cos
Ay
椭圆度：椭圆形状
sin212rr2 sin
Ax
[椭圆度正负号“”表
示旋光方向，如上所述]
26
线偏光和圆偏光的电场空间分布示意图
27
光的偏振态的表示方法
庞加莱球（Poincaré，邦加球）： 光的偏振态的几何表示
28
光的偏振态的表示方法
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
E
0
H
光矢量 振动面
v
5
什么是偏振？
6
偏振有关的特性
（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
7
光的基本特征
（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
(1) Ey 0
r A yA x, yx
Ex Axcostx
Ey 0
y
(2) Ex 0
Ex 0
Ey Aycosty
y
Ex
x
Ey
x
(3) 0
Ey
Ex Axcostx Ey Aycostx
y
E
Ex x
tan1 Ay
Ax
(4)
E Ex
Ex Axcostx Ey Aycostx
y
Ey
x
tan1 Ay
Ax
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圆偏光 r1 , 2 (1)A xA yA 0,2
右旋光
ExA0costx EyA0costx2
(2 )A xA yA 0, 2 ExA0co ks ztx
左旋光
EyA0co ks ztx2
Linear, Circular and Elliptical Polarization Animation: 23
I max I min
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偏振光的分类表述
E ( r , t ) A eik x r p t 0
A:振幅，k:波矢量，:角频率，0:初始相位
波数 k2 nn c
kE0
实部（实际电场）
E ( r ,t ) A ck o r s t 0
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光的电场表示（x-y垂直方向两个分 量，沿z方向传输）