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偏振光基础原理 4 15 2020 张文凯2011 11 24 光的电磁学基础光的偏振 4 15 2020 光的电磁学基础 Maxwell方程组电磁波的传播光波与电磁波 4 15 2020 1 Maxwell方程组1 1Maxwell詹姆斯 克拉克 麦克斯韦 英国物理学家 数学家 科学史上 称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来 是实现第一次大综合 麦克斯韦把电 光统一起来 是实现第二次大综合 因此应与牛顿齐名 1873年出版的 论电和磁 也被尊为继牛顿 自然哲学的数学原理 之后的一部最重要的物理学经典 没有电磁学就没有现代电工学 也就不可能有现代文明 4 15 2020 JamesClerkMaxwell 1831 1879 1 2Maxwell方程组 4 15 2020 2 电磁波传播由Maxwell方程我们可以知道电磁波是电磁场的一种运动形态 电与磁可说是一体两面 电流会产生磁场 变动的磁场则会产生电流 变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场 这就是电磁场 而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波 电磁波为横波 电磁波的磁场 电场及其行进方向三者互相垂直 振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变 4 15 2020 图1 1电磁波传播 4 15 2020 3 光波与电磁波光矢量从波动光学的观点看 光是极高频的电磁波 通常所说的光扰动或光振动是指光的电场强度E和磁场强度B 由于光许多方面的效应主要通过其电场的作用表现出来 所以常把光波的电场强度E 矢量 成为光矢量 光的振动可简单理解为随时间变化和空间变化的光矢量 光是横波由于光波属于电磁波 光矢量振动方向与传播方向垂直 因此光是一种横波 4 15 2020 图1 2横波振动与传播方向垂直 光的偏振 偏振现象相干偏振非相干偏振 4 15 2020 1 偏振现象1 1什么是偏振定义 偏振是指波在与传播方向垂直的某些方向上振动较强 而另一些方向 通常是垂直方向 则较弱甚至没有振动的现象 1 2光波具有偏振性光波是横波 在与光传播方向相垂直的方向上光矢量的振动强度存在不均匀现象 所以光波具有偏振性 最常见的偏振光有五种自然光 部分偏振光 椭圆偏振光和圆偏振光 线偏振光 4 15 2020 图2 1马吕斯 4 15 2020 图2 2线偏振 4 15 2020 4 15 2020 4 15 2020 2 6 2 5 2 7 4 15 2020 2 8 2 9 2 10 4 15 2020 2 11 4 15 2020 2 2不相干偏振当偏振光的X Y分量相位有固定关系时 合成的光矢量为线偏振 圆偏振及椭圆偏振 当相位无固定关系时 合成的光矢量为自然光和部分偏振光 1 自然光一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的 等幅的 无固定相位关系的线偏振光 4 15 2020 2 部分偏振光部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的 不等幅的 无固定相位关系的线偏振光 4 15 2020 补充 什么是偏振定义 偏振是指波在与传播方向垂直的某些方向上振动较强 而另一些方向 通常是垂直方向 则较弱甚至没有振动的现象 光是怎么样产生的 4 15 2020 怎么理解 光的波粒二象性光既是一种粒子 也是一种波 在不同的条件下表现出不同的特性 光具有波粒二象性 光的产生电子在不同能级之间的跃迁会产生不同频率的光 每次都是一份份的发出的 称为光量子 因此 初始状态的每份光振动方向不同 是随机分布的 可利用不同的光源产生不同状态的光 4 15 2020 爱因斯坦 光量子发射示意图 电子跃迁 22 正交分解 一对互相垂直 互相独立 振幅相等的光振动 无固定相位差 所以是非相干叠加 一束光包含大量独立的光波列 每个波列的光矢量振动 变化 方向各异 由于是矢量 我们总可以把这些矢量分解到任意两个相互正交方向上再进行合成 这就是光的正交分解 这样处理后得到的自然光就携带了两个相互正交的合成光振动 由于均匀 这两个合成光振动度强度相同 光的产生机制 统计特性 自然光 在垂直于光传播方向的平面上 光矢量在各个可能方向上的取向是均匀的 光矢量的大小 方向具有无规律性变化 这种光称为自然光 也称为完全非偏振 4 15 2020 电灯 太阳 部分偏振光 光波包含一切可能方向的横振动 但不同方向上的振幅不等 在两个互