高等光学课件第讲

高等光学课件第讲第一页，共四十九页，2022年，8月28日一、偏振态的定义及其物理图像二、Jone’s矢量表示法三、斯托克斯参量表示法和邦加球表示法§1-8矢量光波的偏振态及其表征第二页，共四十九页，2022年，8月28日一、偏振态的定义及其物理图像光波是横波

————在垂直光波传播的方向（即的方向）的平面内，的振动方向可能多种多样。根据矢量末端描绘的轨迹特点定义矢量光波的偏振态。根据轨迹的特点，光波的偏振态分为三类五种：

完全偏振非偏振：电场矢量末端在垂直光传播方向的平面内投影点合振幅相等（如自然光）部分偏振：电场矢量末端在垂直光传播方向的平面内投影点在两个正交方向上合振 幅不等第三页，共四十九页，2022年，8月28日完全偏振光的物理图像第四页，共四十九页，2022年，8月28日部分偏振光的物理图像第五页，共四十九页，2022年，8月28日1、简谐平面波电矢量分量的表示二、Jone’s矢量表示法分析对象：波矢量沿正方向的简谐平面波，电场矢量 分解到x、y方向，

分量表示为：第六页，共四十九页，2022年，8月28日2、电场矢量末端的轨迹方程椭圆偏向角椭圆度第七页，共四十九页，2022年，8月28日3、平面波偏振态的Jone’s矢量表示法电场分量的复数表达式：Jone’s矢量：一般地，Jone’s矢量的形式为：归一化Jone’s矢量：令：→：与x轴正向所夹的角第八页，共四十九页，2022年，8月28日4、Jone’s矢量空间的基矢任意一偏振光可以分解

为一组基矢的线性组合:两对基矢：两对基矢之间的关系：两对基矢之间的变换矩阵：线偏振光=两个相反方向旋转的圆偏振光的迭加

圆偏振光=等振幅、位相差π/2的沿x、y方向振动的线偏振光的迭加第九页，共四十九页，2022年，8月28日5、线性光学器件Jone’s矩阵入射光→→出射光线性光学器件即：Jone’s矩阵：级联线性光学器件的Jone’s矩阵：J1J2J3Jn→…→→→第十页，共四十九页，2022年，8月28日6、Jone’s矩阵的本征矢，沿这两个方向通过时，光的偏振状态不变，仅振幅按本征值变化Q：本征矢与前面提到的基矢有何异同？第十一页，共四十九页，2022年，8月28日三、斯托克斯参量表示法和邦加球表示法1、单色光波偏振态的Stokes参量→→其中：第十二页，共四十九页，2022年，8月28日2、单色光波偏振态的邦加球表示第十三页，共四十九页，2022年，8月28日§1-9准单色光的偏振特性及其表征一、准单色光偏振状态表示的琼斯矢量表示二、准单色平面波的相干矩阵

三、准单色光波偏振度的表示四、准单色光的斯托克斯参量及其对部分偏振光的描述五、线性光学元件的密勒矩阵第十四页，共四十九页，2022年，8月28日一、准单色光偏振状态表示的琼斯矢量表示准单色光Jone’s矢量：()()第十五页，共四十九页，2022年，8月28日二、准单色平面波的相干矩阵

保留单色平面波中与时间有关的因子，直角系下其分量可表示为：1、相干矩阵的定义且第十六页，共四十九页，2022年，8月28日2、相干矩阵矩阵元的测量方法→和第十七页，共四十九页，2022年，8月28日第十八页，共四十九页，2022年，8月28日三、准单色光波偏振度的表示定义：其中第十九页，共四十九页，2022年，8月28日四、准单色光的斯托克斯参量及其对部分偏振光的描述1、准单色光的斯托克斯参量定义2、斯托克斯参量和相干矩阵元之间的变换关系第二十页，共四十九页，2022年，8月28日3、准单色光的斯托克斯参量的测量第二十一页，共四十九页，2022年，8月28日对于偏振光对于部分偏振光部分偏振光=自然光+偏振光4、部分偏振光的斯托克斯矩阵第二十二页，共四十九页，2022年，8月28日（1）当P=0，在邦加球球心(原点)处，表示非偏振态。（2）当P=1，在邦加球球面上的点表示全偏振态。

（3）当0<P<1，除原点外，邦加球内的任意点代表部分偏振态。（4）当P>1，没有物理意义。5、部分偏振光在邦加球上的表示第二十三页，共四十九页，2022年，8月28日五、线性光学元件的密勒矩阵入射光→→出射光线性光学器件→→第二十四页，共四十九页，2022年，8月28日§1-10两种电介质的界面上光波的反射和折射一、反射定律和折射定律二、菲涅耳公式三、全反射和倏逝波四、全反射条件下反射光的相移五、全反射条件下透射光波场的玻印廷矢量六、古斯—汉欣(Goos-Hanchen)位移第二十五页，共四十九页，2022年，8月28日一、反射定律和折射定律电磁波入射到介质界面时，发生反射和折射现象，利用电磁场边值关系分析反射和折射的规律。kikrkti、r、t分别代表入射、反射和透射光据边界条件：得：第二十六页，共四十九页，2022年，8月28日要求指数项在平面相等，则选取界面z=0时，有：入射、反射、折射在同一个平面。有：且：→Snell定律（角度关系）第二十七页，共四十九页，2022年，8月28日二、菲涅耳公式光波的电矢量E分解为两个分量，一种是振动在入射面内的分量，即平行分量，简称为p分量，下标以//来标记；另一种是振动垂直于入射面的分量，即垂直分量，简称为s分量，下标以来标记。在反射和折射过程中这两个分量是相互垂直、互相独立的，因此可分别讨论垂直和平行分量，分析反射和折射的情况。EEE//入射光电矢量的分解入、反、透/折射振幅之间的关系第二十八页，共四十九页，2022年，8月28日1、E垂直于入射面分量（s波）第二十九页，共四十九页，2022年，8月28日2、E平行于入射面分量（p波）第三十页，共四十九页，2022年，8月28日即：反/透射系数：第三十一页，共四十九页，2022年，8月28日3、rs、rp、ts、tp与入射角关系（2）透射光中，p分量振幅绝对值却总是大于或等于s分量振幅绝对值。（1）反射光中，s分量振幅绝对值总是大于或等于p分量振幅绝对值；自然光部分偏振光圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光(n1=1,n2=1.5)(n1=1.5,n2=1)tptsrprstptsrprs第三十二页，共四十九页，2022年，8月28日布儒斯特角：由折射率公式，得到布儒斯特角：意义：如果光在这个角度下入射，则反射光的电矢量没有入射面上的分量（即p分量）。第三十三页，共四十九页，2022年，8月28日4、反、折射相位的变化第三十四页，共四十九页，2022年，8月28日第三十五页，共四十九页，2022年，8月28日第三十六页，共四十九页，2022年，8月28日37对于s分量半波损失：反射过程中振幅矢量的相位不连续，存在大小等于π的相位突变，或半个波长的光程损失。

光疏介质进入光密介质时的反射:s分量在透射过程没有半波损失p分量在透射过程没有半波损失s分量在反射过程中出现半波损失p分量在反射过程的相位变化一般较为复杂与及与相位相同与相位相反第三十七页，共四十九页，2022年，8月28日a）掠入射时：b）垂直入射时：对于p分量表明此时与相位相反，反射过程存在半波损失；仍然有，但与的瞬时方向刚好相反。因此，振幅系数大于0，表明此时p分量的与相位相反，即反射过程同样存在半波损失。第三十八页，共四十九页，2022年，8月28日5、反射率和透射率第三十九页，共四十九页，2022年，8月28日第四十页，共四十九页，2022年，8月28日第四十一页，共四十九页，2022年，8月28日三、全反射和倏逝波透射波的电矢量可表示为：E(t)振幅大小随z增大按指数衰减。第四十二页，共四十九页，2022年，8月28日振幅为z=0界面处振幅的1/e时，距离z定义为穿透深度。当n1=1.5，c=50时，z0～0.3，全反射时电场穿透深度为波长量级。第四十三页，共四十九页，2022年，8月28日四、全反射条件下反射光的相