第2章2_4偏振光与应用（课堂PPT）

2.4光波场的偏振态,1,2.4.1光波的偏振态,平面电磁波为横波，电场与磁场正交，沿z轴方向传播光，电场只有x,y分量。,一.光的横波性对波传播方向不对称,二.光波的偏振态,1.完全偏振统一于椭圆偏振2.非偏振光矢振动方向无规则（自然光）3.部分偏振完全偏振+自然光,横波,实验验证光是横波,2,1）椭圆偏振：平面波表示如下：写成分量形式：消去得：显然为一椭圆方程！电场与磁场存在线性关系，从而磁场也有上面的形式！,1.光波的完全偏振椭圆偏振，线偏振，圆偏振,电(磁)场端点轨迹为椭圆，即空间各点电场矢量末端在xy平面上投影为椭圆。,3,1.光波的完全偏振,迎光方向看：光矢量顺时针为右旋偏振光光矢量逆时针为左旋偏振光,在1、2象限，为左旋椭偏光；在3、4象限，为右旋椭偏光；,4,1.光波的完全偏振,2）线偏振与圆偏振椭圆偏振的特例！1)线偏振：2)圆偏振：,同样有：左旋圆偏光,右旋圆偏光,5,2.自然光非偏振光,-振动方向和初相位都在作随机变化-各种振动方向及相位都独立无关,自然光振动垂直、振幅（强度）相等且相位完全无关的两个线偏振合成,6,3.部分偏振光及偏振度,完全偏振光+自然光部分偏振光,偏振度,P=0，自然光P=1，完全偏振光0P1，部分偏振光,7,两振动方向相互垂直光叠加椭圆偏振光：两偏振光振幅比及其相位差决定该椭圆的长、短轴之比及其空间取向。因此，只需两个特征参量：就可表示任一光波的偏振念。描述椭圆偏振光各参量之间关系的四种方法：一、三角函数表示法二、琼斯矢量法三、斯托克斯矢量法四、图示法,2.4.2偏振态描述,8,一、三角函数表示法,令与相位差为,比值a/b与可决定椭圆外形和取向,9,二、Jones矢量法,用列矩阵表示电场矢量x、y分量：Jones矢量Jones规一化矢量,10,二、Jones矢量法,线偏光：右旋圆偏光：可以计算偏振光叠加；偏振光通过若干偏振片后的偏振态引入Jones矩阵,11,三、Stockes矢量法,四参量描述光强与偏振：注：可描述非偏振与非单色光情况，比Jones矢量法描述对象范围更广定义：将讨论的光分别通过四块滤色片Fl，F2，F3和F4，测出通过滤色片后光强I1，I2，I3和I4则斯托克斯参量为:I,M,C,S规一化Stockes矢量：,1,M/I,C/I,S/I,12,三、Stockes矢量法,四个滤色片的功能如下：每块滤色片对自然光透过率均为0.5；每块滤色片之通过面均垂直入射光；Fl是各向同性，对任何入射光作用相同；F2的透光轴沿x轴(对y方向振动的光完全吸收)；F3的透光轴与x轴夹角45度；F4对左旋圆偏振光不透明。,13,三、Stockes矢量法,入射光通过若干偏振元件情况引入穆勒矩阵（Muellermatrix）,14,四、Poincare球,注意:以上四种表示方法的内在联系,赤道上任一点代表不同振动方向的线偏振光；球的北极表示右旋圆偏振；南极表示左旋圆偏振。北半球上的每个点表示右旋椭圆偏振形式，南半球上的每个点表示左旋椭圆偏振形式，椭圆相应的方位角和椭圆度分别为该点经度和纬度值的一半。因此，所有点表示所有方位角相同而椭圆度不同的椭圆偏振光；所有点表示所有椭圆度相同而方位角不同的椭圆偏振光。,15,2.4.3Jones矩阵与Mueller矩阵,光学元件的传输矩阵可以用2x2的琼斯矩阵来表示，也可以用4x4的穆勒矩阵来表示琼斯矩阵用琼斯矢量进行运算，而琼斯矢量与电场的振幅及相位相关；穆勒矩阵用斯托克斯矢量进行运算，而斯托克斯矢量与光强成正比。应用的场合比较：部分偏振光问题时，用穆勒矩阵法；偏振光发生干涉效应，选用琼斯矩阵法。多光束问题中，如果光束之间表现为强度相加，则宜采用穆勒矩阵法；如果光束之间表现为相干则宜采用琼斯矩阵法。,16,2.4.3Jones矩阵与Mueller矩阵,以偏振器件(能够产生线偏振光的元件)为例：设有一沿z方向传输的线偏振光，其偏振方向平行于x轴，垂直入射到偏振器表面，该偏振器保持入射线偏振态不变情况下的最大透过系数为tx，称此时偏振器的方向为x方向；相应条件下的最小透过系数为ty，则偏振器的待性可用这两正交方向(x，y)上的透过系数来表示。,17,任一偏振光通过该偏振器，出射偏振态为：琼斯矩阵为：偏振器的消光比,18,穆勒矩阵为：,偏振器件的传输矩阵与器件的放置有关：前面讨论的情况是偏振器件两正交方向与空间坐标(x,y)重合;如果偏振器两正交方向与(x，y)之间有旋转角度到x，y)转换矩阵,一般情况：,19,Jones矩阵为：对Mueller矩阵有转换矩阵：Mueller矩阵为：,20,2.4.4Jones矢量与Stockes矢量关系,夹心矩阵偏振光Jones矢量为厄米共轭形式为：偏振光Stockes矢量为：P1，P2，P3，P4为夹心矩阵，与Pauli旋转矩阵相关,21,2.4.5应用举例,一、太阳仪器之双折射滤光器：冰洲石晶体双折射,偏振光干涉是一种特殊的干涉相干光(o光和e光)的振动方向互相垂直。实现偏振光干涉的方法：如图所示，起偏器的主轴为OA，检偏器的主轴为OB，而中间晶体板的光轴与OA成角并垂直于光束的轴线，构成一个晶体级。O光和e光相位差为：,22,一、双折射滤光器：,2）、起偏器的主轴与检偏器的主轴平行：o光、e光在OB上分解为：,两相干光总的相位差为：,经典干涉理论：,1）、起偏器的主轴与检偏器的主轴垂直：o光、e光在OB上分解为：,两相干光总的相位差为：,23,一、双折射滤光器：,“凹槽光谱”叠加实现特定波长的滤光,Lyot大视场滤光器,Lyot可调谐-半波片旋转角度引起波长变化,Evans滤光器-省一个偏振片,24,二、椭偏测量术：,利用偏振光和物质相互作用而引起的各种效应：可对许多参量进行测量。也可用于对介质本身的某些特性进行研究。其基本过程是：偏振光波通过介质时与介质发生相互作用。这种相互作用将改变光波的偏振态，测出这种偏振态的变化，就可获得我们所需的重要信息。,25,三、偏振光位移传感器,伺服比较式位移传感器：抗光强漂移将被测量的直线位移x通过机械结构(线性地)转换为角位移，通过起偏器引入角位移，正交双检偏器和步进电机的主轴相连，跟踪起偏器转动。起偏器一侧装有发光元件(LED)，检偏器一侧装有关于发光元件对称的两个光电检侧元件(PD)。该角位移则分别在一个同光源双光路正交差动比较式偏振光检测系统中构成了起偏器与检偏器透光轴间的夹角。根据马吕斯定律，检偏系统中夹角与透过检偏器的光强之间具有确定的关系。在同光源双光路正交差动比较结构中，当光源光强漂移时，由于两路光强信号来自于同一光源，因而两路光强将同比例的变化。如果系统工作点漂移，预置工作点的纵坐标(光强或其光电转换信号)改变，但其横坐标(角位移)仍维持不变，因而排除了光强漂移对检测的影响，使系统具有抗光源光强漂移的能力。,26,四、日常生活中,1、汽车夜间行驶：驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自己的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，不熄灯，也不减速，也可以保证安全行车。2、在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分散射光。3、观看立体电影特制眼镜,27,五、其它应用：,医学应用：光学立体显微术；偏振光保密通信利用光束的偏振模态表征线路中是否存在的窃听的新方法；偏振光密度测定法提高金银墨