1、高等光学高等光学研究生课程研究生课程u光的偏振态及其表示方法光的偏振态及其表示方法u光在介质分界面上的反射和折射光在介质分界面上的反射和折射第二章第二章 偏振光学偏振光学内容提要内容提要u光的偏振态及其表示方法光的偏振态及其表示方法 偏振光概述及分类偏振光概述及分类 完全偏振光的表示方法（椭圆、邦加球、斯托克完全偏振光的表示方法（椭圆、邦加球、斯托克斯参量）斯参量）相位波片相位波片 旋光现象旋光现象第二章第二章 偏振光学偏振光学光学现象光学现象 电磁波是横波电磁波是横波光的振动方向垂直于传播方向光的振动方向垂直于传播方向偏振光定义基于光波的电场分量，将光矢量在振动方向上的状态，称偏振光定义基于
2、光波的电场分量，将光矢量在振动方向上的状态，称为光的偏振为光的偏振光矢量光矢量振动面振动面v0HE（1）界面的反射和折射特性随偏振状态而改变）界面的反射和折射特性随偏振状态而改变（2）介质吸收特性可能随偏振态而变化）介质吸收特性可能随偏振态而变化（3）物质散射偏振敏感）物质散射偏振敏感（4）各项异性介质中光的传播特性，包括传播速度和相移，均偏振）各项异性介质中光的传播特性，包括传播速度和相移，均偏振相关相关（5）某些材料具有旋光特性）某些材料具有旋光特性（1）光的频率非常高，）光的频率非常高，f=1014HZ（100THZ）；相对地，人耳听到的）；相对地，人耳听到的声波频率为声波频率为20HZ
3、20kHZ，普通电磁波频率一般低于，普通电磁波频率一般低于107HZ。光频远大。光频远大于电子的固有频率而无法用电子仪器直接观察于电子的固有频率而无法用电子仪器直接观察（2）机械波由机械振动产生，普通电磁波由电磁震荡产生，可通过参）机械波由机械振动产生，普通电磁波由电磁震荡产生，可通过参数控制；而发光是原子或离子在不同能级之间跃迁的结果数控制；而发光是原子或离子在不同能级之间跃迁的结果1.1.自然光自然光2.2.线偏振光线偏振光4.4.圆偏振光圆偏振光5.5.椭圆偏振光椭圆偏振光3.3.部分偏振光部分偏振光大量原子自发辐射跃迁，光波在大量原子自发辐射跃迁，光波在传播方向传播方向、振动方向振动方
4、向、位相位相和和频率频率随机，即不随机，即不同原子同一时刻发出的光波没有关联，而同一原子在不同时刻光波无任何关联。同原子同一时刻发出的光波没有关联，而同一原子在不同时刻光波无任何关联。光矢量光矢量E E在在各个方向上的几率相等、相位差随机，这样的光称为自然光。在在各个方向上的几率相等、相位差随机，这样的光称为自然光。1.1.自然光自然光自然光自然光 z2.2.线偏振光（平面偏振光、偏振光）线偏振光（平面偏振光、偏振光）在垂直光波传播方向的某一固定方向上在垂直光波传播方向的某一固定方向上振动的光波振动的光波光振动平行板面光振动平行板面x光振动垂直板面光振动垂直板面 x完全偏振光完全偏振光线偏光线
5、偏光一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。线偏振光。沿沿x-yx-y坐标光强分量坐标光强分量021IIIyxxyOEExEy起偏器起偏器：使非线偏振光变成线偏振光：使非线偏振光变成线偏振光检偏器检偏器：检查入射光的偏振性：检查入射光的偏振性偏偏振振化化方方向向自然光自然光偏振片偏振片线偏振光线偏振光起偏和检偏起偏和检偏（1）用二向色性晶体（电气石晶体、）用二向色性晶体（电气石晶体、硫酸碘奎宁晶体）硫酸碘奎宁晶体）（2）导电线栅）导电线栅-拉直的细电导体拉直的细电导体(金属、金属、碘原子碘原子)-平行电场分量
6、吸收，垂直分量平行电场分量吸收，垂直分量透过透过.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化光强发生变化.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化光强发生变化.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光的消光比线偏振光的消光比最大透射光强最小透射光强消光比偏振光通过旋转的检偏器偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化光强发生变化3.3.圆偏振光圆偏振光电矢量绕着传输方向匀速旋转，且电电矢量绕着传输方向匀速旋转，且电矢量大小保持不变，矢量端点的轨
7、迹矢量大小保持不变，矢量端点的轨迹为圆为圆4.4.椭圆偏振光椭圆偏振光电矢量绕着传输方向匀速旋转，矢量端电矢量绕着传输方向匀速旋转，矢量端点的轨迹为椭圆点的轨迹为椭圆完全偏振光完全偏振光圆圆/椭圆偏光椭圆偏光5.5.部分偏振光部分偏振光分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的线偏振光。分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的线偏振光。电矢量振幅在不同方向上有不同大小，称部分偏振光，它电矢量振幅在不同方向上有不同大小，称部分偏振光，它介于介于自然光与线偏振光之间自然光与线偏振光之间部分偏振光的偏振度部分偏振光的偏振度minmaxminmaxIIIIPmaxIminI偏振光的分类偏振光的分类部分偏振光
8、部分偏振光0exp),(trkiAtrEncnk2偏振光的分类表述偏振光的分类表述A:振幅，振幅，k:波矢量，波矢量，:角频率，角频率，0:初始相位初始相位0 Ek波数波数实部（实际电场）实部（实际电场）0cos),(trkAtrE光的电场表示（光的电场表示（x-y垂直方向两个分量，沿垂直方向两个分量，沿z方向方向传输）传输）yyyxxxtAEtAEcoscos（恒定相位差（恒定相位差 (,）xy0EExEyyExEEyx椭圆函数椭圆函数222sincos2yxyyxxAAAEAE描述光的偏振态的参数描述光的偏振态的参数xyxyAAr,Circular Polarization Demo：12
9、2bEaEyx2222yxyxEEEE总光强恒定总光强恒定cossinsincosyxyyxxEEEEEEsincoscos2sincos22222yxyxAAAAacos22tan22yxyxAAAAsincoscos2cossin22222yxyxAAAAb椭圆函数可等效为椭圆函数可等效为xyxE0)2(xExyyExyAA1tanxyAA1tan0)1(yE)4(0)3(xyyExEExyyExEExyyxxxtAEtAEcoscosxyyxxxtAEtAEcoscosyyyxtAEEcos00cosyxxxEtAE线偏光线偏光xyxyAAr,2,)1(0AAAyx2coscos00 x
10、yxxtAEtAE2,)2(0AAAyx2coscos00 xyxxtkzAEtkzAE右旋光右旋光左旋光左旋光圆偏光圆偏光2,1rLinear,Circular and Elliptical Polarization Animation:43204振幅相等振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差，相位差 对应的光的偏振态对应的光的偏振态4324432432404振幅不等振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差，相位差 对应的光的偏振态对应的光的偏振态cos122tan2rr主轴方向：方位角主轴方向：方位角椭圆度：椭圆形状椭圆度：椭圆形状椭圆度正负号椭圆度正负号“”表示旋光方表示旋光方向，如上所述向，如上
11、所述sin122sin2rryAxA光的偏振态的表示方法光的偏振态的表示方法线偏光和圆偏光的电场空间分布示意图线偏光和圆偏光的电场空间分布示意图庞加莱球庞加莱球（Poincar，邦加球）：光的偏振，邦加球）：光的偏振态的几何表示态的几何表示光的偏振态的表示方法光的偏振态的表示方法2,290,1oR（1）球坐标）球坐标(S1,S2,S3)与光的偏振态一一相对与光的偏振态一一相对应应（2）线偏光：赤道）线偏光：赤道(S1,90o,S3)如如 x偏振：偏振：(1,/2,0)y偏振：偏振：(1,/2,)（3）右旋圆偏光：北极）右旋圆偏光：北极(1,0,S0)左旋圆偏光：南极左旋圆偏光：南极(1,0,S
12、0)（4）右旋光：北半球）右旋光：北半球(,S3 0)左旋光：南半球左旋光：南半球(,S3 0)光的偏振态的表示方法光的偏振态的表示方法线偏光和圆偏光在邦加球的标定线偏光和圆偏光在邦加球的标定光的偏振态的表示方法光的偏振态的表示方法sin2cos2,22221220yxyxyxyxyxAASAASAASAASAA特点：特点：（1）只有三个独立项）只有三个独立项（2）完整描述光强和光的偏振，包括完全偏振光、自然光及部分偏振）完整描述光强和光的偏振，包括完全偏振光、自然光及部分偏振光光23222120SSSS如上所述，邦加球如上所述，邦加球(R,)只表示了光的偏振态，但并不表示光的强度，而斯托克只
13、表示了光的偏振态，但并不表示光的强度，而斯托克斯参量既表示光的偏振，又表示光强斯参量既表示光的偏振，又表示光强2sin2sin2cos2cos2cos2,2,0302010SSSSSSS(S1,S2,S3):邦加球上的直角坐标点光的偏振态的表示方法光的偏振态的表示方法相位波片（相位延迟片）相位波片（相位延迟片）波片制造时通常标出快（或慢）轴，晶体中波速快的光矢量的方向为快轴，与波片制造时通常标出快（或慢）轴，晶体中波速快的光矢量的方向为快轴，与之垂直的光矢量方向即为慢轴之垂直的光矢量方向即为慢轴负单轴晶体时，负单轴晶体时，e e光比光比o o光速度快，快轴光速度快，快轴在在e e光矢量方向即光
14、轴方向，光矢量方向即光轴方向，o o光光矢量光光矢量方向为慢轴，正晶体正好相反方向为慢轴，正晶体正好相反波片产生的波片产生的相位差相位差是是慢轴方向光矢慢轴方向光矢量相对于快轴方向光矢量的相位延量相对于快轴方向光矢量的相位延迟量迟量相位波片相位波片),3,2,1,0(22mmdnneo玻片厚玻片厚度度mdnne01 1、全波片全波片相位延相位延迟迟特点：产生特点：产生2 2 整数整数倍的相位延迟；不改变入射光的偏振态倍的相位延迟；不改变入射光的偏振态)12(2mdnneo特点：增加特点：增加 的的相位延迟相位延迟（1 1）使线偏振光的偏振方向旋转一定角度）使线偏振光的偏振方向旋转一定角度（2
15、2）使圆偏振光的旋转方向发生逆转）使圆偏振光的旋转方向发生逆转（3 3）使椭圆偏振光旋转方向逆转）使椭圆偏振光旋转方向逆转,同时长轴转过一定角度同时长轴转过一定角度2 2、半波片半波片2mdnneo相位波片相位波片半波片半波片特点：增加特点：增加/2/2的的相位延迟相位延迟（1 1）可使线偏振光变成圆）可使线偏振光变成圆或椭圆偏振光或椭圆偏振光（2 2）使圆或椭圆偏振光变）使圆或椭圆偏振光变成线偏振光成线偏振光3 3、1/41/4波片波片22mdnneo42mdnneo相位波片相位波片4 4、波片的几个特点、波片的几个特点（1 1）相位延迟量的大小与波长相关）相位延迟量的大小与波长相关（2 2
16、）可改变入射光的偏振态；自然光经波片后仍是自）可改变入射光的偏振态；自然光经波片后仍是自然光然光（3 3）为了达到改变偏振态的目的，可使波片的快（慢）为了达到改变偏振态的目的，可使波片的快（慢）轴与入射光矢量有一定夹角，以便在两个互相垂直的轴与入射光矢量有一定夹角，以便在两个互相垂直的光矢量间引入一定的位相延迟光矢量间引入一定的位相延迟相位波片相位波片线偏振光通过某些透明物质时，线偏振光的振动面将旋转一定的角度，线偏振光通过某些透明物质时，线偏振光的振动面将旋转一定的角度，这种现象称为这种现象称为振动面的旋转振动面的旋转，也称，也称旋光现象旋光现象。.CS1P2P 旋光物体旋光物体未放置未放置
17、C，P2后视场黑暗后视场黑暗放置放置C后，旋转后，旋转P2一定角度，视场又变黑暗一定角度，视场又变黑暗1、不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面 向不同方向旋转。向不同方向旋转。右旋物质右旋物质 左旋物质左旋物质2、振动面的旋转角振动面的旋转角 与波长有关，与波长有关，波长给定则与旋光物质的厚度波长给定则与旋光物质的厚度l 有关。有关。l旋光本领、旋光率3、偏振光通过糖溶液、松节油时，振动面的旋转角偏振光通过糖溶液、松节油时，振动面的旋转角cl旋光物质的浓度旋光物质的浓度 c4、磁致旋光：法拉第效应、康顿磁致旋光：法拉第效应、康顿-莫顿效应莫顿效应汽车车灯汽车车灯偏振光的应用偏振光的应用LCD液晶显示器液晶显示器基于偏振光的工作原理基于偏振光的工作原理LCD Light Polarization：偏振光的应用偏振光的应用偏振光的应用偏振光的应用
