第1章 波动光学基础1-3 光的偏振态 物理

I0 2
y x
y A1
O
A2 x
(a) 自然光的电矢量
(b) 电矢量的分解
图1.3-4 自然光及其分解
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
1.3.3 部分偏振光
特点：光振动强度沿两个正交方向的时间平均值不相等，并且在某一方向取 极大值Imax时，其正交方向正好取极小值Imin
偏振度：
y
y
P ImaxImin
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
1.3.4 波函数中的偏振态信息
偏振态是光的重要特征状态参数之一。 偏振态的描述有唯象和解析两种方式，解析描述使用波函数。也 就是说，波函数中包含了光的偏振信息。 依据“光的偏振态是光矢量末端的空间轨迹”，可以解读波函数 中包含的偏振状态信息．
• (1)光矢量末端的空间轨迹方程
1.3.2 自然光(完全非偏振光)
自然光：偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集合
说明：自然光实际上可分解成两个强度相等、振动方向正交但相位各自随 机变化的线偏振光
注意：构成自然光的两个线偏振光分量的相位各自独立地随机变化，因 此不能再合成为一个单一矢量
I1
I2
I0 2
A1 A2
A 2
A1
ImaxImin
P=0：自然光 P=1：线偏振光 0<P<1：部分偏振光
说明：
x
O
A2
x
(a) 部分偏振光电矢量
(b) 电矢量的分解
图1.3-5 部分偏振光及其分解
➢ 自然光是部分偏振光的特殊表现形式
➢ 构成椭圆偏振光的两个正交振动有恒定的相位差
➢ 构成部分偏振光的两正交振动的相位却各自随机变化
1.3 自然光与偏振光
1.3.4波函数中的偏振态信息
•注意：图中偏振光的旋转方向是迎着光线传播方向看到的。图中信息要记住！！
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
1.3.4波函数中的偏振态信息
•(2) 由波矢两分量之间关系决定的偏振态
① 圆偏振光可以看作是振幅相等、振动方向正交、相位相差±p/2的两个 同频率线偏振光的合成。其中正号对应左旋，负号对应右旋。
偏振面（振动面）：振动方向（光矢量方向）与光传播方向构成的平面
光矢量
偏振面
偏振态分类：完全偏振（线偏振、圆偏振、椭圆偏振），非偏振，部分偏振．
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
1.3.1 完全偏振光
(1) 平面偏振光（线偏振光）
特点：光振动限于某一确定的平面内，光矢量在垂直于传播方向的平面 内的投影为一直线
1 波动光学基础
第1章 波动光学基础
§1.1 光是一种电磁波 *§1.2 光波的函数表述 *§1.3 光的偏振态－自然光与偏振光
§1.4 实际光波与理想光波 *§1.5 光在介质界面的反射与折射
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
定义
偏振态：光矢量在垂直于传播方向的平面内可能存在的振动状态(变化规律)
② 椭圆偏振光可以看作是振幅不相等、振动方向正交、相位差恒定的两 个同频率线偏振光的合成。其中正号对应左旋，负号对应右旋。
③ 线偏振光和圆偏振光只是椭圆偏振光的两种特殊形式。若两个正交振 动的振幅相等，相位差等于p/2的奇数倍，则椭圆偏振光变为圆偏振光； 若两个正交振动的相位差等于p 的整数倍，则椭圆偏振光变为线偏振 光。
• 设，光波沿z轴方向传播
则，
E ( z ,t) E x ( z ,t) i E y ( z ,t)j
Ex(z,t)Ex0coksz (wt) Ey(z,t)Ey0coksz (wt)
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
1.3.4波函数中的偏振态信息
• 若以θ表示E矢量与x轴正向所成的角，则有
•
③ p 时:
2
tanEy0 tank(zwt)
Ex0
•
④ p 时: tanEy0tank(zwt)
2
Eቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
• 其实, 光矢量末端的空间轨迹［注意：E的末端坐标是 Ex,Ey ］
随时空变化的关系满足方程：
E2 x
Ey2
2ExEy
cossi2 n
E E 2
2
x0
y0
EE x0 y0
1 波动光学基础
说明：线偏振光也可看作是振动方向正交、相位相同或相反的两个线偏 振光的合成
竖直偏振 水平偏振
A'
y A'y
A
Ay
反相
同相
-A'x O
Ax x
图1.3-1 线偏振光（平面偏振光）
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
1.3.1 完全偏振光
(2) 圆偏振光
特点：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w 旋转，其光矢量末端的轨
(3) 椭圆偏振光
特点：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w旋转，其光矢量末端的轨
迹位于一个椭圆形螺线上，并且在垂直于传播方向的平面上的投影 构成一个椭圆。 左旋椭圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿逆时针旋转。
右旋椭圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿顺时针旋转。
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
tan Ey Ey0coks(zwt)
Ex
Ex0 coks(zwt)
• 显然, θ的大小、即E，在xy平面内的指向将随位置z和时间
t而变化。
•
讨论: θ的时空依赖关系
•
①δ=0 时:
tan E y0 ,
Ex0
•
② p 时: tan Ey0 ,
Ex0
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
1.3.4波函数中的偏振态信息
1.3.2 自然光(完全非偏振光)
光源的发光机制：
任一原子或分子的任一次辐射波列都具有恒定的振动方向——一列 振动面确定的线偏振光
空间分布的均匀性表明光矢量的偏振面包含各种方向且各个方向的平 均大小相同
时间分布的均匀性表明各个光矢量的初相位取0到2p之间的任意值
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
• （3）椭圆偏振光矢量轨迹的空间方位
E2 x
Ey2
2ExEy
cossi2 n
E E 2
2
x0
y0
EE x0 y0
tan22EEx20x0EEy2y00 cos
2 E y0
Ey
Ex
2 E x0
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
作业三:
⒈ 一束在真空中传播、以国际单位制表示的的平面光 波的电场（V/m）为
迹位于一个圆形螺线上，并且在垂直于传播方向的平面上的投影构 成一个圆。
左旋圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿逆时针旋转。
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
1.3.1 完全偏振光
右旋圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿顺时针旋转。
1 波动光学基础
1.3 自然光与偏振光
1.3.1 完全偏振光