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高等光学高等光学研究生研究生课程程2u光的偏振光的偏振态及其表示方法及其表示方法u光在介光在介质分界面上的反射和折射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3u光的偏振光的偏振态及其表示方法及其表示方法 偏振光概述及分偏振光概述及分类 完全偏振光的表示方法（完全偏振光的表示方法（椭圆、邦加、邦加球、斯托克斯参量）球、斯托克斯参量）相位波片相位波片 旋光旋光现象象第二章第二章 偏振光学偏振光学4光学光学现象象什么是偏振？什么是偏振？5什么是偏振？什么是偏振？电磁波是横波磁波是横波光的振光的振动方向垂直于方向垂直于传播方向播方向偏振光定偏振光定义基于光波的基于光波的电场分量，将光矢量在振分量，将光矢量在振动方向上的状方向上的状态，称，称为光的偏振光的偏振光光矢矢量量振振动面面v0HE6什么是偏振？什么是偏振？7（1）界面的反射和折射特性随偏振状）界面的反射和折射特性随偏振状态而改而改变（2）介）介质吸收特性可能随偏振吸收特性可能随偏振态而而变化化（3）物）物质散射偏振敏感散射偏振敏感（4）各）各项异性介异性介质中光的中光的传播特性，包括播特性，包括传播速播速度和相移，均偏振相关度和相移，均偏振相关（5）某些材料具有旋光特性）某些材料具有旋光特性偏振有关的特性偏振有关的特性8（1）光的）光的频率非常高，率非常高，f=1014HZ（100THZ）；相）；相对地，人耳听到的声波地，人耳听到的声波频率率为20HZ20kHZ，普通，普通电磁磁波波频率一般低于率一般低于107HZ。光。光频远大于大于电子的固有子的固有频率率而无法用而无法用电子子仪器直接器直接观察察（2）机械波由机械振）机械波由机械振动产生，普通生，普通电磁波由磁波由电磁震磁震荡产生，可通生，可通过参数控制；而参数控制；而发光是原子或离子在不光是原子或离子在不同能同能级之之间跃迁的迁的结果果光的基本特征光的基本特征91.1.自然光自然光偏振光的分偏振光的分类2.2.线偏振光偏振光4.4.圆偏振光偏振光5.5.椭圆偏振光偏振光3.3.部分偏振光部分偏振光10大大量量原原子子自自发辐射射跃迁迁，光光波波在在传播播方方向向、振振动方方向向、位位相相和和频率率随随机机，即即不不同同原原子子同同一一时刻刻发出出的的光光波波没没有有关关联，而而同一原子在不同同一原子在不同时刻光波无任何关刻光波无任何关联。光光矢矢量量E E在在在在各各个个方方向向上上的的几几率率相相等等、相相位位差差随随机机，这样的的光称光称为自然光。自然光。1.1.自然光自然光自然光自然光112.2.线偏振光（平面偏振光、偏振光）偏振光（平面偏振光、偏振光）在垂直光波在垂直光波传播方向的某一固播方向的某一固定方向上振定方向上振动的光波的光波光振光振动平行板面平行板面光振光振动垂直板面垂直板面完全偏振光完全偏振光线偏光偏光12一一束束自自然然光光可可分分解解为两两束束振振动方方向向相相互互垂垂直直的的、等等幅的、不相干的幅的、不相干的线偏振光。偏振光。沿沿x-yx-y坐坐标光光强分量分量xyOEExEy13起偏器起偏器：使非：使非线偏振光偏振光变成成线偏振光偏振光检偏器偏器：检查入射光的偏振性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偏振光起偏和起偏和检偏偏（1）用二向色性晶体（）用二向色性晶体（电气气石晶体、硫酸碘奎宁晶体）石晶体、硫酸碘奎宁晶体）（2）导电线栅-拉直的拉直的细电导体体(金属、碘原子金属、碘原子)-平行平行电场分量吸收，垂直分量透分量吸收，垂直分量透过.起偏器起偏器检偏器偏器自然光自然光线偏振光偏振光偏振光通偏振光通过旋旋转的的检偏器偏器 光光强发生生变化化.起偏器起偏器检偏器偏器自然光自然光线偏振光偏振光偏振光通偏振光通过旋旋转的的检偏器偏器 光光强发生生变化化.起偏器起偏器检偏器偏器自然光自然光线偏振光偏振光线偏振光的消光比偏振光的消光比偏振光通偏振光通过旋旋转的的检偏器偏器 光光强发生生变化化173.3.圆偏振光偏振光电矢矢量量绕着着传输方方向向匀匀速速旋旋转，且且电矢矢量量大大小小保保持持不不变，矢量端点的矢量端点的轨迹迹为圆4.4.椭圆偏振光偏振光电矢矢量量绕着着传输方方向向匀匀速速旋旋转，矢量端点的矢量端点的轨迹迹为椭圆完全偏振光完全偏振光圆/椭圆偏光偏光185.5.部分偏振光部分偏振光分解分解为两束振两束振动方向相互垂直的、不等方向相互垂直的、不等幅的幅的线偏振光。偏振光。电矢量振幅在不同方向上有不同大小，称部分矢量振幅在不同方向上有不同大小，称部分偏振光，它偏振光，它介于自然光与介于自然光与线偏振光之偏振光之间部分偏振光的偏振度部分偏振光的偏振度偏振光的分偏振光的分类部分偏振光部分偏振光19偏振光的分偏振光的分类表述表述A:振幅，振幅，k:波矢量，波矢量，:角角频率，率，0:初始相位初始相位波数波数实部（部（实际电场）20光的光的电场表示（表示（x-y垂直方向两个分量，垂直方向两个分量，沿沿z方向方向传输）（恒定相位差（恒定相位差 (,）xy0EExEy椭圆函数函数描述光的偏振描述光的偏振态的参数的参数Circular Polarization Demo：21总光光强恒定恒定椭圆函数可等效函数可等效为22线偏光偏光23右旋光右旋光左旋光左旋光圆偏光偏光Linear,Circular and Elliptical Polarization Animation:24振幅相等振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差，相位差 对应的光的偏振的光的偏振态25振幅不等振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差，相位差 对应的光的偏振的光的偏振态(r,(r,)26主主轴方向：方位角方向：方位角椭圆度：度：椭圆形状形状椭圆度正度正负号号“”表表示旋光方向，如上所述示旋光方向，如上所述偏振偏振偏振偏振椭圆椭圆表示法表示法表示法表示法 (,)光的偏振光的偏振态的表示方法的表示方法(r,(r,)27线偏光和偏光和圆偏光的偏光的电场空空间分布示意分布示意图28庞加莱球加莱球（Poincar，邦加球）：，邦加球）：光的偏振光的偏振态的几何表示的几何表示光的偏振光的偏振态的表示方法的表示方法29庞庞加莱球加莱球加莱球加莱球 （PoincarPoincar，邦加球），邦加球），邦加球），邦加球）（1）球坐）球坐标(S1,S2,S3)与光的偏振与光的偏振态一一相一一相对应（2）线偏光：赤道偏光：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）右旋圆偏光：北极偏光：北极(1,0,S0)左旋左旋圆偏光：南极偏光：南极(1,0,S0)（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)光的偏振光的偏振态的表示方法的表示方法30线偏光和偏光和圆偏光在邦加球的偏光在邦加球的标定定光的偏振光的偏振态的表示方法的表示方法31斯托克斯参量斯托克斯参量斯托克斯参量斯托克斯参量特点：特点：（1）只有三个独立）只有三个独立项（2）完整描述光）完整描述光强和光的偏振，包括完全偏振光、自和光的偏振，包括完全偏振光、自然光及部分偏振光然光及部分偏振光如上所述，邦加球如上所述，邦加球(R,)只表示了光的偏振只表示了光的偏振态，但并不表，但并不表示光的示光的强度，而斯托克斯参量既表示光的偏振，又表示光度，而斯托克斯参量既表示光的偏振，又表示光强(S1,S2,S3):邦加球上的直角坐标点光的偏振光的偏振态的表示方法的表示方法32相位波片（相位延相位波片（相位延迟片）片）33波片制造波片制造时通常通常标出快（或慢）出快（或慢）轴，晶体中波速快的光矢，晶体中波速快的光矢量的方向量的方向为快快轴，与之垂直的光矢量方向即，与之垂直的光矢量方向即为慢慢轴负单轴晶体晶体时，e e光比光比o o光速度光速度快，快快，快轴在在e e光矢量方向即光光矢量方向即光轴方向，方向，o o光光矢量方向光光矢量方向为慢慢轴，正晶体正好相反，正晶体正好相反波片波片产生的生的相位差相位差是是慢慢轴方向光矢量相方向光矢量相对于快于快轴方方向光矢量的相位延向光矢量的相位延迟量量相位波片相位波片34玻片玻片厚度厚度1 1、全波片全波片相位相位延延迟特点：特点：产生生2 2 整数整数倍的相位延倍的相位延迟；不改；不改变入射光的偏振入射光的偏振态特点：增加特点：增加 的的相位延相位延迟（1 1）使）使线偏振光的偏振方向旋偏振光的偏振方向旋转一定角度一定角度（2 2）使）使圆偏振光的旋偏振光的旋转方向方向发生逆生逆转（3 3）使）使椭圆偏振光旋偏振光旋转方向逆方向逆转,同同时长轴转过一定角度一定角度2 2、半波片半波片相位波片相位波片35半波片半波片36特点：增加特点：增加/2/2的的相相位延位延迟（1 1）可使）可使线偏振光偏振光变成成圆或或椭圆偏振光偏振光（2 2）使）使圆或或椭圆偏偏振光振光变成成线偏振光偏振光3 3、1/41/4波片波片相位波片相位波片374 4、波片的几个特点、波片的几个特点（1 1）相位延）相位延迟量的大小与波量的大小与波长相关相关（2 2）可改）可改变入射光的偏振入射光的偏振态；自然光；自然光经波片后仍是自然光波片后仍是自然光（3 3）为了达到改了达到改变偏振偏振态的目的，可使的目的，可使波片的快（慢）波片的快（慢）轴与入射光矢量有一定与入射光矢量有一定夹角，以便在两个互相垂直的光矢量角，以便在两个互相垂直的光矢量间引入一定的位相延引入一定的位相延迟相位波片相位波片38*旋光旋光旋光旋光现现象象象象线偏偏振振光光通通过某某些些透透明明物物质时，线偏偏振振光光的的振振动面面将将旋旋转一一定定的的角角度度，这种种现象象称称为振振动面面的的旋旋转，也也称称旋光旋光现象象。.未放置未放置C，P2后后视场黑暗黑暗放置放置C后，旋后，旋转P2一定角度，一定角度，视场又又变黑暗黑暗391、不同的旋光物不同的旋光物质可以使可以使线偏振光的振偏振光的振动面面 向不同方向旋向不同方向旋转。右旋物右旋物质 左旋物左旋物质2、振振动面的旋面的旋转角角 与波与波长有关，有关，波波长给定定则与旋光物与旋光物质的厚度的厚度l 有关。有关。3、偏振光通偏振光通过糖溶液、松糖溶液、松节油油时，振，振动面的旋面的旋转角角4、磁致旋光：法拉第效磁致旋光：法拉第效应、康、康顿-莫莫顿效效应40*旋光旋光旋光旋光现现象象象象41汽汽车车灯灯偏振光的偏振光的应用用42LCD液晶液晶显示器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：偏振光的偏振光的应用用43偏振光的偏振光的应用用3D电影影