《高等光学偏振光学》PPT课件
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光的偏振态的表示方法
斯托克斯参量
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
Ax , Ay ,
SSS102
Ax2 Ay2 Ax2 Ay2 2 Ax Ay c
os
S2 2Ax Ay sin
S0 ,2 ,2
SS12
S0 cos2 cos2 S0 cos2 sin 2
(2) Ax Ay A0, 2 左旋光
Ex A0 coskz t x Ey A0 coskz t x 2
Linear, Circular and Elliptical Polarization Animation:
振幅相等r=Ay/Ax=1,相位差对应的光的偏振态
3 4
2
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
1、 全波片
相位 延迟
2
no ne d
2m
(m 0, 1, 2, 3,)
相位波片
玻片 厚度
n0 ne d m
特点:产生2整数倍的相位延迟;不改变入射光的偏振态
1 r2
Ax
[椭圆度正负号“”表
示旋光方向,如上所述]
线偏光和圆偏光的电场空间分布示意图
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
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
R 1, 90o 2, 2
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 体(金属、碘原子)-平行电场分 自然光
化 方
量吸收,垂直分量透过
向
线偏振光
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
Imax I m in
偏振光的分类表述
E(r ,t) Aexp i k r t 0
A:振幅,k:波矢量,:角频率,0:初始相位
波数 k 2 n n c kE 0
实部(实际电场)
E(r ,t) Acos k r t 0
光的电场表示(x-y垂直方向两个分量,
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
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。
(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 (, S3 > 0) 左旋光:南半球 (, S3 < 0)
光的偏振态的表示方法
线偏光和圆偏光在邦加球的标定
•• •
z
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
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
Ix
Iy
1 2
I0
起偏和检偏
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
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 I max I min
y
E
Ex x
tan1 Ay
Ax
(4)
E Ex
Ex Ax cost x Ey Ay cost x
y
Ey
x
tan1 Ay
Ax
圆偏光 r 1, 2
(1) Ax Ay A0, 2 右旋光
Ex A0 cost x Ey A0 cost x 2
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 c 旋 光 物 质 的 浓 度
4、磁致旋光:法拉第效应、康顿-莫顿效应
*旋光现象
偏振光的应用
汽车车灯
偏振光的应用
LCD液晶显示器
基于偏振光的工作原理
LCD Light Polarization:
2、 半波片
2
no ne d
(2m 1)
no
ne
d
m
2
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
半波片
3、1/4波片
2
no ne d m
2
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
*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。
P1
C
P2
S..
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
1、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,
偏振光的应用
3D电影
4
0
4
2
3 4
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
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
tan 2
2r 1 r2
cos
Ay
椭圆度:椭圆形状
sin 2 2r sin
S3 S0 sin 2
(S1,S2,S3): 邦加球上的直角坐 标点
特点:
(1)只有三个独立项
S02
S12
S
பைடு நூலகம்
2 2
S32
(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
相位波片(相位延迟片)
相位波片
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
椭圆函数可等效为
Ex a
2
Ey b
2
1
a2 Ax2 cos2 Ay2 sin 2 2Ax Ay cos cos sin
b2 Ax2 sin 2 Ay2 cos2 2Ax Ay cos cos sin
tan 2
2 Ax Ay Ax2 Ay2
cos
Ex Ex cos Ey sin Ey Ex sin Ey cos
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
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
什么是偏振? 光学现象
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
总光强恒定 Ex2 Ey2 Ex2 Ey2
线偏光
(1) Ey 0
r Ay Ax , y x
Ex Ax cost x
Ey 0
y
Ex x
(2) Ex 0
Ex 0
Ey Ay cos t y
y
Ey
x
(3) 0
Ey
Ex Ax cost x Ey Ay cost x
y
沿z方向传输)
E Exx Ey y
Ey
E
0 Ex x
Ex Ax cost x
Ey Ay cos t y
描述光的偏振态的参数 r Ay Ax , y x
(恒定相位差(, ])
椭圆函数
Ex Ax
2
Ey Ay
2
2
cos
Ax Ay
sin2
Circular Polarization Demo:
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
E
0
H
光矢量 振动面
v
什么是偏振?
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
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
(2)使圆或椭圆偏 振光变成线偏振光
相位波片
no ne d m 2 4
相位波片
4、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