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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.4,光波场的偏振态,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,z,y,x,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,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。,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；,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,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,3.,部分偏振光及偏振度,完全偏振光,+,自然光,部分偏振光,设,非偏振光强度,偏振光的强度,偏振度,P=0,，自然光,P=1,，完全偏振光,0P1,，部分偏振光,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,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,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,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,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,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。,三、,Stockes,矢量法,入射光通过若干偏振元件情况,引入穆勒矩阵（,Mueller matrix,）,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。,2.4.3 Jones,矩阵与,Mueller,矩阵,光学元件的传输矩阵可以用,2x 2,的琼斯矩阵来表示，也可以用,4x 4,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。,2.4.3 Jones,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。,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,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：,Jones,矩阵为：,对,Mueller,矩阵有转换矩阵：,Mueller,矩阵为：,2.4.4 Jones,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,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：,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：,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,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。,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。,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,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印刷质量,消除金银墨产生高强度反射光线；,仿生昆虫偏振光罗盘导航：移动机器人,Sahabot,上构建的偏振罗盘；,玻璃应力图像处理测量方法研究,偏振光干涉光学图像与玻璃内部应力的分布关系；,光纤偏振干涉仪测量压力、应力、温度等能较好的抗外界干扰；,目标特性研究,-,作业（检索相关文献，介绍利用光的偏振特性、散射特性研究目标特性方面的进展、动态）,
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