5光的偏振态

在与传播方向垂直的平面内光矢量E还可能有各式各样的振动状态，该平面内的具体振动方式称为光的偏振态完全偏振光非偏振光即自然光部分偏振光？完全偏振光：设光沿z方向传播，E位于XY平面，根据正交分解法，任何形式的光振动总可分解EX，EY。如果这两个分振动完全相关，即有完全确定的相位关系，则相应的光称为完全偏振光（偏振光）完全偏振光—线偏振光，圆偏振光、椭圆偏振光光的偏振状态MAXWELL：EK，光波具有横波性（偏振性）1.线偏振光（光矢量E的振动方位保持不变的光）E播传方向·迎着对光传播方向看若固定某一位置Z考察光矢量的时间变化，则其末端在xy平面上扫描出一个确定的线段；若固定某一时刻t考察光矢量的空间变化，则各处的光矢量位于一个确定的平面(振动面)线偏振光的表示法：·····光振动垂直纸面光振动平行纸面右旋圆偏振光2.圆偏振光在任一位置z，光矢量E的末端随时间变化在xy平面上扫描出一个圆迎着光束的传播方向观察，根据E的旋向分为：左旋圆偏振光（光矢量E按逆时针方向旋转）和右旋圆偏振光（光矢量E按顺时针方向旋转）光矢量E在xy平面内运动的特点：其瞬时值的大小不变；方向以角速度（波的圆频率）匀速旋转右旋椭圆偏振光3.椭圆偏振光在任一位置光矢量E的末端随时间变化在xy平面上扫描出一个椭圆左旋椭圆偏振光和右旋椭圆偏振光根据垂直振动的合成原则：以上三种偏振态都可以看作是两个垂直的同频率振动Ex和Ey的合成，合成波的振动方式取决于两个分振动的振幅比Ex0/Ey0和相位差=y-x两列同频率、振动方向相互垂直、同向传播的平面光波的叠加---偏振光的形成及特征EyExEyxz两个相互垂直的振动方向分别取为X、Y轴，波的传播方向为Z，不失一般性，取x0=0，并记Y振动相对于X振动的相差为:xy则X，Y方向的光矢量E波函数（*注*）波场中任意位置和时刻的波函数（合振动）),(),(),(tzEtzEtzEyxEyExEyx合成光矢量E仍在XY平面内，仍保持其横波性。以表示E与X轴正向所成的角)cos(),()cos(),(00kztEtzEkztEtzEyyxx)cos()cos(tan00kztEkztEEExyxy的大小，即E在XY平面内的指向,将随位置Z和时间t而变化（旋转性）一、光矢量E的时间变化（Z为定值，可取Z=0，振动的合成）,.....)2,1(2mm],[,2特例：1、=00000)cos()cos(tanxyxyEEkztEkztEtan为一正常数，E位于一、三象限中一个确定的平面（振动面）内Ey0Ex0Eyx2、=±E位于二、四象限中一个确定的平面（振动面）内Ey0Ex0Eyx图示：振动面与XY平面的交线。线偏振光2020yxEEEyxyxIIEEI202000tanxyEE定Z=0，是t的函数，合矢量E的空间指向将随时间变化发生旋转，分析其旋转方向3、=/2)tan()cos()cos(tan0000kztEEkztEkztExyxyt增减)tan(tan00tEExy（*注*）当迎着光的传播方向观察时，将会“看到”光矢量E沿顺时针方向转动（右旋）=/2，代入：)cos(),()cos(),(00kztEtzEkztEtzEyyxx122yoyxoxEEEEE的末端随时间变化在XY平面上扫描的轨迹，是一个正椭圆。122byax两半轴分别位于X轴和Y轴，两半轴长分别为Ex0，Ey0=/2Ex0Ey0右旋椭圆偏振光4、=/23/2/2（2/2）)tan()cos()cos(tan0000kztEEkztEkztExyxyt当迎着光的传播方向观察时，将会“看到”光矢量E沿逆时针方向转动（左旋）=-/2E的末端随时间变化在XY平面上扫描的轨迹，亦是一个正椭圆。（左旋椭圆偏振光）)tan(tan00tEExy5、为任意值（一般情况）sinsincoscos)cos()(sin)cos(2200202202yyxxyyxxEEEEEEEE1、在2Ex0(x向)、2Ey0(y向)范围内的一个“斜椭圆”（两半轴的方位不与X，Y轴重合）2、椭圆的性质(方位、左右旋)在Ex0、Ey0确定之后,主要决定于xyE的旋向和方位：)cos()cos(),()cos()cos(),(0000tEkztEtzEtEkztEtzEyyyxxx取两时间点：t=0,t=T/4;(=2/T)I例：00cosxxxEtEE*t=0:表明E的末端处在椭圆轨迹与Ex=Ex0的直线相切的切点0cos)cos(00yyyEtEE表明切点在X轴的上方长轴朝第一、三象限倾斜（第一象限）Z=0左旋右旋,,,,IVIIIIII*t=T/4t=/202cos0xxEE0)2cos(0yyEE右旋)(sin)cos(2200202202yyxxyyxxEEEEEEEE的不同取值决定了光的偏振状态椭圆偏振光线偏振光=0，±或Ex0=0或Ey0=0AEEyx00;2椭圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光可看作两个相互垂直、但振幅不相等、有固定相位差的线偏振光的合成线偏振光和圆偏振光都可看作椭圆偏振光的特例线偏振光可看作两个相互垂直=0,±的线偏振光的合成对于两个垂直振动的合成，不论相位差为何值，EXEY，总有I=IX+IY，即合振动的强度简单地等于两个垂直分振动的强度之和。这对线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光都是适用的圆偏振光可看作两个相互垂直、振幅相等、相位差±/2的线偏振光的合成220202AEEIyx)cos()cos()cos()cos(tan0000kzEkzEkztEkztExyxy=0，±（线偏光），振动平面的空间取向不变，其他情况将随位置Z的变化而变化二、光矢量E的空间变化在给定时刻t（可取t=0）光矢量E在不同位置Z的取向变化右旋圆偏振光(时间）2,yoxoEEkzkztantan当Z值从零增大时，值将线性增大；故E矢量将沿着光的传播方向作逆时针以此排列由于E的长度不变，其在以XY平面上半径为E的圆为底，以Z轴为轴线的正圆柱的侧面上绘出一条螺旋线该螺旋是右手螺旋，即用右手握圆柱，四指沿螺线的转动方向，拇指即指向螺旋的进动方向右旋圆偏振光某时刻右旋圆偏振光E随z的变化yyxz传播方向/2xE0没有优势方向自然光的分解自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、位相无关（不相干）的线偏振光。yxEEyxIII自然光的表示法：···自然光辐射单元（原子）：相互独立、彼此无关、方向各不相同、各次随机、但机会均等部分偏振光（光波即不是完全偏振，也不是自然光，而是两者的混合，各振动方向都有，有一个方向占优势）部分偏振光的分解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、位相无关（不相干）的线偏振光。部分偏振光的表示法：······平行纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强··偏振度完全偏振光(线、圆、椭圆)P=1；部分偏振光0P1；自然光(非偏振光)P=0minmaxminmaxIIIIPpnpIIIIItpPP=1线偏振光；0P1部分偏振光或椭圆偏振光；P=0自然光或圆偏振光凭借一检偏器，可将五种偏振态区分为三种，但偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律•起偏的原理：利用某种光学的不对称性•起偏：从自然光获得偏振光•起偏器:起偏的光学器件要得到偏振光往往要通过光与物质的相互作用使自然光的偏振形态产生某种改变根据输出光的偏振形态：线起偏器、圆起偏器等各种起偏器的作用过程都必须包含某种不对称性，它可以是介质在不同作用条件（例如不同的入射角）下的不同响应，更多的则是介质本身的各向异性•偏振片微晶型·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··常用的线起偏器基于某些晶体的二向色性，即对不同方向的电磁振动具有不同吸收的性质电气石，硫酸碘奎宁晶体（塞璐璐基片）分子型xyzz线栅起偏器入射电磁波线栅模型（细金属丝）含有传导电子（某碘的化合物）的聚合物分子长链，PM'MN'N起偏器检偏器偏振片的起偏与检偏作用偏振化方向（振透方向）检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态I?P待检光•I不变？是什么光•I变，有消光？是什么光•I变，无消光？是什么光I0IPPE0E=E0cos0max,0III，0,232minI，20cosII马吕斯定律（1809）2202cosEEIM'MN'N起偏器检偏器透过第2个偏振片的光强如何？偏振片对不同偏振态的光强响应各种偏振结构的光通过理想偏振片时的光强变化马吕斯定律I0IPPE0E=E0cos20cosII1、线偏振光非偏振光I0线偏振光IP偏振化方向(透振方向)021II···2、自然光IEEEIppp222220当偏振片旋转时，透过光强是不变的022002021cos21cosIdIII3、圆偏振光两个相互垂直、振幅相等、相位差±/2的线偏振光的合成22202pppEEEI通过P后的光强为021II与自然光的光强透过率相同；圆偏振光是完全偏振光，两分量相干；自然光两分量非相干单一P，无法判别自然光和圆偏振光4、椭圆偏振光Ey0Ex0xyP透过P的光强I，EY0，EX0在P的振透方向投影的合成cosxixoxopeEEsinyiyoyopeEE二投影振动方向相同，有确定的相位差，（干涉）**))((yopxopyopxopEEEEEEI)cos(sincos2sincos22yxyxIIII实验可以通过测量旋转偏振片时的光强变化（测出最大透射光强Imax和最小透射光强Imin）来确定此二方向。2020;yyxxEIEI分别表示椭圆偏振光中两个正交分量的强度圆偏光2;yxII)cos(sincos2sincos22yxyxIIIII20IIIIyx5、部分偏振光2max2minsincosIII所以通过P后的光强为对于椭圆偏振光，两不等振幅在P方向的投影有确定的相差，故干涉；对于部分偏振光，此二投影无确定相差，不发生干涉，总光强是二分量光强的直接叠加。ImaxPImin2minmax22minsin)()sin(cosIII2minmaxmincos)(IIII部分偏振光是一自然光与一线偏光的混合单一P，无法判别自然和圆偏振光；部分偏振和椭圆偏振光2cos21lnII反射和折射时光的偏振一、反射光的偏振：自然光反射时，可产生部分偏振光或完全偏振光晴朗的日子里，蔚蓝色天空所散射的日光多半是部分偏振光。散射光与入射光的方向越接近垂直，散射光的偏振度越高。阳光斜入射时，反射光具有明显的偏振性质S。用适当的偏振眼镜可减少前方太阳光通过路面（或水面）反射所致的眩目；拍摄水上景物，镜头前加偏振片。有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰二、布儒斯特定律起偏角(布儒斯特角）20i)2sin(sinsin02201innin02cosin1210nntgi反射光是完全偏振光时，实验证明：三、折射光的偏振0i若n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，则：互余空气→玻璃玻璃→空气423350