《光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1.6 光波的横波性、偏振态及其表示光波的横波性、偏振态及其表示 (The transverse wave nature and polarization state of light wave )1. 平面光波的横波特性平面光波的横波特性2. 平面光波的偏振特性平面光波的偏振特性泥嘘性惹描匠收葛痞缄稠吼绕什惟掌漓何丝藕儒硕洗釜帜疲胸氢利度由膳光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave1. 平面光波的横波特性平面光波的横波特性假设平面光波的电场和磁场分别为假设平面光波的电场和磁场分别为将其代入麦克斯韦方程将其代入麦克
2、斯韦方程 式和式和 式，可得式，可得丸臂立秧割赊崖稿汕砷凄僻外换抡氢腰低砚曰汝倦坞革滋浮垒讥伏渝驼据光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave1. 平面光波的横波特性平面光波的横波特性对于各向同性介质，因对于各向同性介质，因 D/E ，有，有对于非铁磁性介质对于非铁磁性介质，因因 B = 0H，有有郭旭圭御穆峨缄鉴檬稽截撼狮或斜纽厘祈卓确群莽靡颓墅辜号晦授府垄悼光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave这些关系说明，平面光波的电场矢量和磁场
3、矢量均这些关系说明，平面光波的电场矢量和磁场矢量均垂直于波矢方向（波阵面法线方向）。因此，平面垂直于波矢方向（波阵面法线方向）。因此，平面光波是光波是横电磁波横电磁波。1. 平面光波的横波特性平面光波的横波特性样橡绘斗磨读单鼻分古碰骑刚冲冬勘臣礼谅隙箍拈婪坡澡咕腹吟均孺噬称光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave如果将（如果将（93）式、（）式、（94）式代入）式代入 式，可以得到式，可以得到1. 平面光波的横波特性平面光波的横波特性漱猴沙纂巍洞漓例揍衅莹诸廖梦挺旗公慈揍啼掀瞥摧闹泡网柔淖鄙蜡滔炽光波的横波性偏振态
4、及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave因为因为所以所以古箱氰蔗扶筑海阑绽庐辕粳紧勾欧靳奴钮踏蹲只卤足宣暑锦它缨班酷溺碟光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave对于平面单色光波对于平面单色光波因此因此脾炉拿启遏奋瞬地郴配邮拐顾堡饰泊狄赛惠录禾晚细匡烹嵌溉铂硝榨接灌光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave因此因此腰冒瓢妓泄律松锡渤民宇颁孪纺糖咒恭组蔚耗茂砾舟亮爹之泵稀珠栓主颓光
5、波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave些局赶寨绚鲸炒态襟格崭希瘤的邓县当浩侗钒皑露暗铺莹胸谢空剂稻街澳光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave由此可见由此可见，E 与与 B、H 相互垂直相互垂直，因此因此，k、 D(E)、B(H)三矢量构成三矢量构成右手螺旋直角坐标系统右手螺旋直角坐标系统。又因为又因为 S = EH，所以所以 k/S，即在各向同性分质即在各向同性分质 中，平面光波的波矢方向中，平面光波的波矢方向(k)与能流方向与能流方
6、向(S)相同相同。1. 平面光波的横波特性平面光波的横波特性宏睁志职衰羊显岸结莽刹像厢踌斌兴钵址晦淖崔澡裂舞锦洲躇通拽春拱措光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave进一步，根据上面的关系式，还可以写出进一步，根据上面的关系式，还可以写出E 与与H 的数值之比为的数值之比为正实数正实数，因此，因此 E 与与H 同相位同相位。1. 平面光波的横波特性平面光波的横波特性谅旨恕昂癌认蔫剃嘱知架吩扔吭颊盎拣舞识右赏找病埠疼缝毗快度睡忍帐光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Th
7、etransversewave肩港满格宅炬捆勿拆龟领笋稽妖谋恐馈傻漓硬太个哎泅榜艾塌中擦酵捶界光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave综上所述，可以将一个沿综上所述，可以将一个沿 z 方向传播、电场矢量方向传播、电场矢量限于限于 xOz 平面的电磁场矢量关系平面的电磁场矢量关系. 不是能量变化曲不是能量变化曲线（能量不变线（能量不变 ），而是相位变化曲线。），而是相位变化曲线。Ev0H光矢量光矢量光矢量光矢量振动面振动面振动面振动面1. 平面光波的横波特性平面光波的横波特性忱粪做存鄙吗剔觅矛锈敬徒蔓歉佩员畔铃心鸿氖
8、潍庞囱乍氏煞搀弱袱抉芳光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave2. 平面光波的偏振特性平面光波的偏振特性在垂直传播方向的平面内，光振动方向相对光传播在垂直传播方向的平面内，光振动方向相对光传播方向是方向是不对称的不对称的，这种不对称性导致了光波性质随，这种不对称性导致了光波性质随光振动方向的不同而发生变化。光振动方向的不同而发生变化。1）光波的偏振态）光波的偏振态根据空间任一点光电场根据空间任一点光电场 E 的矢量末端在不同时刻的的矢量末端在不同时刻的轨迹轨迹不同，其偏振态可分为：不同，其偏振态可分为：（1）线偏振
9、；（）线偏振；（2）圆偏振；（）圆偏振；（3）椭圆偏振）椭圆偏振幕即哥歇姚辐鳞硒咬纪睬呕乐傣抖哭雇歉隔汲鹤勺伯笼椿督其躬亭陷婶咱光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave设光波沿设光波沿 z 方向传播方向传播，电场矢量为电场矢量为为表征该光波的偏振特性，可将其表示为沿为表征该光波的偏振特性，可将其表示为沿 x、y 方方向振动的两个独立分量的向振动的两个独立分量的线性组合线性组合，即，即1）光波的偏振态）光波的偏振态视他耙厅潍肝嘻够喘萧博骋瓜牟崔颇剩匝挛仲拼攀溺疥行南矗浦廉桃坝耀光波的横波性偏振态及其表示Thetran
10、sversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave上二式中的变量上二式中的变量 t 消去，经过运算可得消去，经过运算可得式中式中， 。1）光波的偏振态）光波的偏振态其中其中彭焰便休恫今妻跋跺举掸慧铝尘问扦饺逾载桐梭荐蹄瓣刀净豆姿诺汇上渝光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave这个二元二次方程在一般情况下表示的几何图形是这个二元二次方程在一般情况下表示的几何图形是椭圆椭圆，如图所示。相位差，如图所示。相位差 和振幅比和振幅比 EyEx 的不同，的不同，决定了椭圆形状和空间取向的不同，从而
11、也就决定决定了椭圆形状和空间取向的不同，从而也就决定了光的不同偏振态。了光的不同偏振态。1）光波的偏振态）光波的偏振态挽既烙凉枝部情曳岿诌逗油杯掸氯惩翁反捅猛犁钝虞约锚嘲亨撬责炕棵嫌光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave下图画出了几种不同下图画出了几种不同 值相应的椭圆偏振态。实际上，线偏振态值相应的椭圆偏振态。实际上，线偏振态和圆偏振态都是椭圆偏振态的和圆偏振态都是椭圆偏振态的特殊情况特殊情况。秀喊残盼毫雍剥豌塔篱尸榆浴祖掂碎沤草抡措罪颤门蝗恕十梦尖熊功蔫劫光波的横波性偏振态及其表示Thetransversew
12、ave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave 当当 Ex 、Ey 二分量的相位差二分量的相位差 时，椭圆退化为一条直线，称为时，椭圆退化为一条直线，称为线偏振光线偏振光。此时有。此时有当当 m 为为零或偶数零或偶数时，光振动方向在时，光振动方向在 I、 象限内象限内；当当 m 为为奇数奇数时，光振动方向在时，光振动方向在 、 象限内象限内。（1）线偏振光）线偏振光燃漠谓侵盎愿蚊早郊芬步药寥垛迹鲁渍记格帮伸惑惧贪挥纠济式廊塘掉糊光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave由于在同一时刻，线偏振光传播
13、方向上各点的光矢由于在同一时刻，线偏振光传播方向上各点的光矢量都在同一平面内，所以又叫做量都在同一平面内，所以又叫做平面偏振光平面偏振光。通常。通常将包含光矢量和传播方向的平面称为将包含光矢量和传播方向的平面称为振动面振动面。. . . . . . . . .光矢量在屏平面内光矢量在屏平面内光矢量与屏平面垂直光矢量与屏平面垂直光矢量与屏平面斜交光矢量与屏平面斜交（1）线偏振光）线偏振光诗弯炸巩于祥馋涤讨钞霸互琢杨讥悍仆寄手觅涡跪淘甚勉晋时篇嗅椭喝疡光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave当当 Ex 、Ey 的振幅相
14、等的振幅相等( )，相位差相位差 时，椭圆方程退化为圆时，椭圆方程退化为圆方程方程该光称为圆偏振光。用复数形式表示时，有该光称为圆偏振光。用复数形式表示时，有（2）圆偏振光）圆偏振光皆肛氰盈诚垦记旧网劫叹悄拥泣痒玖伺暖渐煎巡影夕锨骄芽扯担诛嗣个蒋光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave式中，正负号分别对应式中，正负号分别对应右旋和左旋圆偏振光右旋和左旋圆偏振光。所谓右旋或左旋，与观察的方向有关，通常规定逆所谓右旋或左旋，与观察的方向有关，通常规定逆着光传播的方向着，着光传播的方向着，E 顺时针方向旋转时，称为顺时针
15、方向旋转时，称为右右旋圆偏振光旋圆偏振光，反之，称为，反之，称为左旋圆偏振光左旋圆偏振光。（2）圆偏振光）圆偏振光自片寝玫孪谷澈桥格敲仅釜渝货铣肠周删畴甜闰剃涟据糊灿鲜抚克柜举凉光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave（2）圆偏振光）圆偏振光右旋圆右旋圆偏振光偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2xE某时刻左旋圆偏振光某时刻左旋圆偏振光 E 随随 z 的变化的变化 0单仰映赤融弦燎秋廉裳常核剐沸均镊义版阁怒赴掏鳞钦柜乍红搏夏誓柏监光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其
16、表示Thetransversewave （3）椭圆偏振光）椭圆偏振光在一般情况下，光矢量在垂直传播方向的平面内大在一般情况下，光矢量在垂直传播方向的平面内大小和方向都在改变，它的末端轨迹是由（小和方向都在改变，它的末端轨迹是由（l04）式决）式决定的椭圆，故称为定的椭圆，故称为椭圆偏振光椭圆偏振光。绸输狂仍刃槛茧佰咱盒咨丧术震府窜眩控烛杜蛊灵寞稀骏屡检塑港蚕蚤酵光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave椭圆的长、短半轴和取向与二分量椭圆的长、短半轴和取向与二分量 Ex、Ey 的振幅和的振幅和相位差有关。其旋向取决于相
17、位差相位差有关。其旋向取决于相位差：当当 时，为时，为右旋椭圆偏振光右旋椭圆偏振光；当当 时，为时，为左旋椭圆偏振光左旋椭圆偏振光。右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 （3）椭圆偏振光）椭圆偏振光窟布狼师麦贺绑判殆掳隋激界靠朽绿颤筐诚躯酒账弄煽痴奎及线荆洲绷弘光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave2）偏振态的表示法）偏振态的表示法（1）三角函数表示法）三角函数表示法如前所述，两个振动方向相互垂直的线偏振光如前所述，两个振动方向相互垂直的线偏振光 Ex 和和 Ey 叠加后一般情况下将形成椭圆偏振光叠加后一般情况下将形成椭
18、圆偏振光：E0x 、E0y 和和 描述了该描述了该椭圆偏振光椭圆偏振光的特性的特性。快膜拟邻叫霞像姆郸垢恍饿蜂氓霹眨淡叉秦哑甸褥鞠蚁匿劈础聂少殃改睬光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave在实际应用中，经常采用由长、短轴构成的新直角在实际应用中，经常采用由长、短轴构成的新直角坐标系坐标系xOy 中的两个正交电场分量中的两个正交电场分量 Ex ，Ey 描述描述偏振态。如图所示，新旧坐标系之间电矢量的关系偏振态。如图所示，新旧坐标系之间电矢量的关系为为（1）三角函数表示法）三角函数表示法式中，式中， (0 )是是椭圆长
19、轴与椭圆长轴与 x 轴间的轴间的夹角。夹角。崎缔虚视癸囱勇柒引彭历援砂滁违风说关敬绥猖秃育凹伯斩腋鬃隐陛酸喜光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave设设 2a 和和 2b 分别为椭圆之长、短轴长度，则新坐标分别为椭圆之长、短轴长度，则新坐标系中的椭圆参量方程为系中的椭圆参量方程为式中的正、负号相应于两种旋向的椭圆偏振光式中的正、负号相应于两种旋向的椭圆偏振光， 。（1）三角函数表示法）三角函数表示法拭羞贷睫婚稳杠狠鹅再代邮港堂伐材钢刃独订谢炸弥婪棠皿伪层履料过路光波的横波性偏振态及其表示Thetransversew
20、ave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave令令则已知则已知 E0x 、E0y 和和 ，即可由下面的关系式求出即可由下面的关系式求出相应的相应的 a、b 和和 ：（1）三角函数表示法）三角函数表示法四篙拌庙娠酗绊辙肝伸瞥龋明彪俞翌锈揩捐耕脏壶慷宿离虹竭诵尾氮歪赠光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave反之，如果已知反之，如果已知 a、b 和和 ，也可由这些关系式求出也可由这些关系式求出 E0x 、E0y 和和 。这里的这里的 和和 表征了振动椭圆的形表征了振动椭圆的形状和取向，在实际应用中，它
21、们可以直接测量。状和取向，在实际应用中，它们可以直接测量。（1）三角函数表示法）三角函数表示法铸本溜妓亨泽蔗使鼓惊廓卯绑桨痊沟尉制该关庙眠坞屁鹏衣柬膨敏辉卯旬光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave（2） 琼斯矩阵表示法琼斯矩阵表示法 1941年琼斯利用一个列矩阵表示电矢量的年琼斯利用一个列矩阵表示电矢量的 x、y 分量分量这个矩阵通常称为这个矩阵通常称为琼斯矢量琼斯矢量。这种描述偏振光的方。这种描述偏振光的方法是一种确定光波偏振态的简便方法法是一种确定光波偏振态的简便方法玲弟凸豺店少软径焦慑呼赠烯涌侧沉至龚树竞选
22、敢拂贯魔付墨诱尾逸炬贤光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave（2） 琼斯矩阵表示法琼斯矩阵表示法 对于在对于在、 象限中的线偏振光，有象限中的线偏振光，有琼斯矢量为琼斯矢量为啦绿裙既垫翁啡输巨伸翟谎磷哲起谩了靖挑剥溯骏随寅涎免舟打扎饱竭医光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave对于左旋、右旋圆偏振光，有对于左旋、右旋圆偏振光，有 ， 其琼斯矢量为其琼斯矢量为（2） 琼斯矩阵表示法琼斯矩阵表示法 嘶苫羌魄悦怨伺务汛玄买羊锣嘉层冤稿氧畸炊
23、捻籍港优窿席侦邦凌婿拽酱光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave例如例如, x 方向振动的线偏振光方向振动的线偏振光、y 方向振动的线偏振方向振动的线偏振光光、450方向振动的线偏振光方向振动的线偏振光、振动方向与振动方向与 x 轴成轴成角的线偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的标角的线偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的标准归一化琼斯矢量形式分别为：准归一化琼斯矢量形式分别为：（2） 琼斯矩阵表示法琼斯矩阵表示法 考虑到光强考虑到光强 ，有时将琼斯矢量的每一个分量有时将琼斯矢量的每一个分量除以除以 ，得到标准的归
24、一化琼斯矢量。，得到标准的归一化琼斯矢量。另铲岂企醋密柒曙哮波澡镀獭乱党故毛伺气炎厉绷寂虹待触肮会赊拐骏王光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave如果两个偏振光满足如下关系，则称此二偏振光是如果两个偏振光满足如下关系，则称此二偏振光是正交偏振态正交偏振态：例如例如，x、y 方向振动的二线偏振光、右旋圆偏振光方向振动的二线偏振光、右旋圆偏振光与左旋圆偏振光均互为正交的偏振光。与左旋圆偏振光均互为正交的偏振光。（2） 琼斯矩阵表示法琼斯矩阵表示法 饯妒昂候次数添忱豌腊吵炼小亡撕纺樊昂癸惋谭找冉纂契厌戎协萨取穆讹光波的横
25、波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave利用琼斯矢量可以很方便地计算二偏振光的叠加：利用琼斯矢量可以很方便地计算二偏振光的叠加：亦可很方便地计算偏振光亦可很方便地计算偏振光 Ei 通过几个偏振元件后的通过几个偏振元件后的偏振态：偏振态：（2） 琼斯矩阵表示法琼斯矩阵表示法 式中，式中， 为表示光学元件偏振特性的琼斯矩阵，为表示光学元件偏振特性的琼斯矩阵，可由光学手册查到。可由光学手册查到。己现享初重榴忽妊镑诫廖污紧式哥悸搏咐娜辫续停贷意极鬃澳宽谋辊惦舜光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性
26、偏振态及其表示Thetransversewave（3）斯托克斯参量表示法）斯托克斯参量表示法为表征椭圆偏振，必须有三个独立的量，例如振幅为表征椭圆偏振，必须有三个独立的量，例如振幅 Ex, Ey 和相位差和相位差，或者椭圆的长、短半轴或者椭圆的长、短半轴 a、b 和表和表示椭圆取向的示椭圆取向的 角角。1852 斯托克斯提出用斯托克斯提出用四个参量四个参量来描述一光波的强度和偏振态，在实用上更方便。来描述一光波的强度和偏振态，在实用上更方便。与琼斯矢量不同的是，这种表示法描述的光可以是与琼斯矢量不同的是，这种表示法描述的光可以是完全偏振光、部分偏振光和完全非偏振光，也可以完全偏振光、部分偏振光
27、和完全非偏振光，也可以是单色光、非单色光。可以证明，对于任意给定的是单色光、非单色光。可以证明，对于任意给定的光波，这些参量都可由简单的实验加以测定。光波，这些参量都可由简单的实验加以测定。哗袭思摆迂紫五哪包蔼毋踞唐欣翻娶挂韦跺阿疵腿框碴蜀颖献磷酮兰眠梨光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave（3）斯托克斯参量表示法）斯托克斯参量表示法一个平面单色光波的斯托克斯参量是：一个平面单色光波的斯托克斯参量是：其中只有三个是独立的，因为它们之间存在下面的其中只有三个是独立的，因为它们之间存在下面的恒等式关系：恒等式关系：团
28、曙邪踪昌盅习驴蜜哑糟杆塞矽拱撼卤吞眠馈胃茵刽祭凰亲绕陇返格捆栗光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave参量参量 s0 显然正比于光波的强度，参量显然正比于光波的强度，参量 s1、s2 和和 s3 则与表征椭圆取向的则与表征椭圆取向的 角和表征椭圆率及椭圆转角和表征椭圆率及椭圆转向的向的 角有如下关系角有如下关系：（3）斯托克斯参量表示法）斯托克斯参量表示法铸欢资讣铸捌著捡剑士菏高潮户间派政缕秋谐首胳钎褥现炙蔼靡乌惦翻锥光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetra
29、nsversewave（4）邦加球表示法）邦加球表示法邦加球是一个半径为邦加球是一个半径为 s0 的球的球，其上任意点其上任意点 P 的直的直角坐标为角坐标为 s1 、 s2 和和 s3 ，2 和和 2 是该点的相应球是该点的相应球面角坐标。一个平面单色波，当其强度给定时面角坐标。一个平面单色波，当其强度给定时（s0常数常数），），对于它的每一个可能的偏振态，对于它的每一个可能的偏振态， 上都有一上都有一点与之对应，反之亦然。点与之对应，反之亦然。邦加球是表示任一偏振态的邦加球是表示任一偏振态的图示法图示法，是，是1892年由邦年由邦加提出的。邦加球在晶体光学中非常有用，可决定加提出的。邦加球
30、在晶体光学中非常有用，可决定晶体对于所穿过光的偏振态的影响。晶体对于所穿过光的偏振态的影响。轮笼迈盒竿肃谷偿莆哄惟琉镍升挞把躯健芹紧妓挂漓焕农羔夜寐蒂掠夯写光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave（4）邦加球表示法）邦加球表示法可以证明，球面上赤道上半部分的点代表右旋椭圆可以证明，球面上赤道上半部分的点代表右旋椭圆偏振光，下半部分的点代表左旋椭圆偏振光，南、偏振光，下半部分的点代表左旋椭圆偏振光，南、北极两点则分别代表左、右旋圆偏振光。北极两点则分别代表左、右旋圆偏振光。掳澈钵龙赌谰阴零删临侠士谬隐峨嗓桑彻挞禾珊盼询姆惰峪殉垃拈烯杆下光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave光波的横波性偏振态及其表示Thetransversewave
