高等光學(xué)偏振光學(xué)課件

高等光學(xué)研究生課程高等光學(xué)研究生課程光的偏振態(tài)及其表示方法光在介質(zhì)分界面上的反射和折射第二章偏振光學(xué)內(nèi)容提要光的偏振態(tài)及其表示方法第二章偏振光學(xué)內(nèi)容提要光的偏振態(tài)及其表示方法偏振光概述及分類完全偏振光的表示方法（橢圓、邦加球、斯托克斯參量）相位波片旋光現(xiàn)象第二章偏振光學(xué)光的偏振態(tài)及其表示方法第二章偏振光學(xué)光學(xué)現(xiàn)象什么是偏振？光學(xué)現(xiàn)象什么是偏振？什么是偏振？

電磁波是橫波光的振動方向垂直于傳播方向偏振光定義基于光波的電場分量，將光矢量在振動方向上的狀態(tài)，稱為光的偏振光矢量振動面v0HE什么是偏振？電磁波是橫波光的振動方向垂直于傳播方向偏振光什么是偏振？什么是偏振？（1）界面的反射和折射特性隨偏振狀態(tài)而改變（2）介質(zhì)吸收特性可能隨偏振態(tài)而變化（3）物質(zhì)散射偏振敏感（4）各項(xiàng)異性介質(zhì)中光的傳播特性，包括傳播速度和相移，均偏振相關(guān)（5）某些材料具有旋光特性偏振有關(guān)的特性（1）界面的反射和折射特性隨偏振狀態(tài)而改變偏振有關(guān)的特性

（1）光的頻率非常高，f=1014HZ（100THZ）；相對地，人耳聽到的聲波頻率為20HZ~20kHZ，普通電磁波頻率一般低于107HZ。光頻遠(yuǎn)大于電子的固有頻率而無法用電子儀器直接觀察（2）機(jī)械波由機(jī)械振動產(chǎn)生，普通電磁波由電磁震蕩產(chǎn)生，可通過參數(shù)控制；而發(fā)光是原子或離子在不同能級之間躍遷的結(jié)果光的基本特征

（1）光的頻率非常高，f=1014HZ（100THZ）；相1.自然光偏振光的分類2.線偏振光4.圓偏振光5.橢圓偏振光3.部分偏振光1.自然光偏振光的分類2.線偏振光4.圓偏振光5.橢大量原子自發(fā)輻射躍遷，光波在傳播方向、振動方向、位相和頻率隨機(jī)，即不同原子同一時刻發(fā)出的光波沒有關(guān)聯(lián)，而同一原子在不同時刻光波無任何關(guān)聯(lián)。光矢量E在在各個方向上的幾率相等、相位差隨機(jī)，這樣的光稱為自然光。1.自然光自然光大量原子自發(fā)輻射躍遷，光波在傳播方向、振動方向、位相和頻率隨2.線偏振光（平面偏振光、偏振光）在垂直光波傳播方向的某一固定方向上振動的光波光振動平行板面光振動垂直板面完全偏振光—線偏光2.線偏振光（平面偏振光、偏振光）在垂直光波傳播方向的某一一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。沿x-y坐標(biāo)光強(qiáng)分量xyOEExEy一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、不相干的線起偏器：使非線偏振光變成線偏振光檢偏器：檢查入射光的偏振性偏振化方向自然光偏振片線偏振光起偏和檢偏（1）用二向色性晶體（電氣石晶體、硫酸碘奎寧晶體）（2）導(dǎo)電線柵-拉直的細(xì)電導(dǎo)體(金屬、碘原子)-平行電場分量吸收，垂直分量透過起偏器：使非線偏振光變成線偏振光檢偏器：檢查入射光的偏振性偏.....起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器光強(qiáng)發(fā)生變化.....起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器.....起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器光強(qiáng)發(fā)生變化.....起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器.....起偏器檢偏器自然光線偏振光線偏振光的消光比偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器光強(qiáng)發(fā)生變化.....起偏器檢偏器自然光線偏振光線偏振光的消光比偏振光通3.圓偏振光電矢量繞著傳輸方向勻速旋轉(zhuǎn)，且電矢量大小保持不變，矢量端點(diǎn)的軌跡為圓4.橢圓偏振光電矢量繞著傳輸方向勻速旋轉(zhuǎn)，矢量端點(diǎn)的軌跡為橢圓完全偏振光—圓/橢圓偏光3.圓偏振光電矢量繞著傳輸方向勻速旋轉(zhuǎn)，且電矢量大小保持不5.部分偏振光分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的線偏振光。電矢量振幅在不同方向上有不同大小，稱部分偏振光，它介于自然光與線偏振光之間部分偏振光的偏振度偏振光的分類—部分偏振光5.部分偏振光分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的線偏振偏振光的分類表述A:振幅，k:波矢量，:角頻率，0:初始相位波數(shù)實(shí)部（實(shí)際電場）偏振光的分類表述A:振幅，k:波矢量，:角頻率，0:初始光的電場表示（x-y垂直方向兩個分量，沿z方向傳輸）（恒定相位差(,]）xy0EExEy橢圓函數(shù)描述光的偏振態(tài)的參數(shù)CircularPolarizationDemo：光的電場表示（x-y垂直方向兩個分量，沿z方向傳輸）（恒定相總光強(qiáng)恒定橢圓函數(shù)可等效為總光強(qiáng)恒定橢圓函數(shù)可等效為線偏光線偏光右旋光左旋光圓偏光Linear,CircularandEllipticalPolarizationAnimation:右旋光左旋光圓偏光Linear,Circularand振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差對應(yīng)的光的偏振態(tài)振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差對應(yīng)的光的偏振態(tài)振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差對應(yīng)的光的偏振態(tài)(r,)振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差對應(yīng)的光的偏振態(tài)(r,主軸方向：方位角橢圓度：橢圓形狀[橢圓度正負(fù)號“”表示旋光方向，如上所述]偏振橢圓表示法(,)光的偏振態(tài)的表示方法(r,)主軸方向：方位角橢圓度：橢圓形狀[橢圓度正負(fù)號“”表示旋光線偏光和圓偏光的電場空間分布示意圖線偏光和圓偏光的電場空間分布示意圖龐加萊球（Poincaré，邦加球）：光的偏振態(tài)的幾何表示光的偏振態(tài)的表示方法龐加萊球（Poincaré，邦加球）：光的偏振態(tài)的幾何表示龐加萊球（Poincaré，邦加球）（1）球坐標(biāo)(S1,S2,S3)與光的偏振態(tài)一一相對應(yīng)

（2）線偏光：赤道(S1,90o,S3)

如x偏振：(1,/2,0)

y偏振：(1,/2,)（3）右旋圓偏光：北極(1,

0,

S0)

左旋圓偏光：南極(1,

0,

S0)（4）右旋光：北半球(,S3>0)

左旋光：南半球(,S3<0)光的偏振態(tài)的表示方法龐加萊球（Poincaré，邦加球）（1）球坐標(biāo)(S1,S線偏光和圓偏光在邦加球的標(biāo)定光的偏振態(tài)的表示方法線偏光和圓偏光在邦加球的標(biāo)定光的偏振態(tài)的表示方法斯托克斯參量特點(diǎn)：（1）只有三個獨(dú)立項(xiàng)（2）完整描述光強(qiáng)和光的偏振，包括完全偏振光、自然光及部分偏振光如上所述，邦加球(R,,)只表示了光的偏振態(tài)，但并不表示光的強(qiáng)度，而斯托克斯參量既表示光的偏振，又表示光強(qiáng)(S1,S2,S3):邦加球上的直角坐標(biāo)點(diǎn)光的偏振態(tài)的表示方法斯托克斯參量特點(diǎn)：如上所述，邦加球(R,,)只表示了光的相位波片（相位延遲片）相位波片（相位延遲片）波片制造時通常標(biāo)出快（或慢）軸，晶體中波速快的光矢量的方向?yàn)榭燧S，與之垂直的光矢量方向即為慢軸負(fù)單軸晶體時，e光比o光速度快，快軸在e光矢量方向即光軸方向，o光光矢量方向?yàn)槁S，正晶體正好相反波片產(chǎn)生的相位差是慢軸方向光矢量相對于快軸方向光矢量的相位延遲量相位波片波片制造時通常標(biāo)出快（或慢）軸，晶體中波速快的光矢量的方向?yàn)椴Ｆ穸?、全波片相位延遲特點(diǎn)：產(chǎn)生2整數(shù)倍的相位延遲；不改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)特點(diǎn)：增加的相位延遲（1）使線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)一定角度（2）使圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)（3）使橢圓偏振光旋轉(zhuǎn)方向逆轉(zhuǎn),同時長軸轉(zhuǎn)過一定角度2、半波片相位波片玻片厚度1、全波片相位延遲特點(diǎn)：產(chǎn)生2整數(shù)倍的相位延遲；半波片半波片特點(diǎn)：增加/2的相位延遲（1）可使線偏振光變成圓或橢圓偏振光（2）使圓或橢圓偏振光變成線偏振光3、1/4波片相位波片特點(diǎn)：增加/2的相位延遲3、1/4波片相位波片4、波片的幾個特點(diǎn)（1）相位延遲量的大小與波長相關(guān)（2）可改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)；自然光經(jīng)波片后仍是自然光（3）為了達(dá)到改變偏振態(tài)的目的，可使波片的快（慢）軸與入射光矢量有一定夾角，以便在兩個互相垂直的光矢量間引入一定的位相延遲相位波片4、波片的幾個特點(diǎn)（1）相位延遲量的大小與波長相關(guān)相位波片*旋光現(xiàn)象線偏振光通過某些透明物質(zhì)時，線偏振光的振動面將旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為振動面的旋轉(zhuǎn)，也稱旋光現(xiàn)象。..未放置C，P2后視場黑暗放置C后，旋轉(zhuǎn)P2一定角度，視場又變黑暗*旋光現(xiàn)象線偏振光通過某些透明物質(zhì)時，線偏振光的振動面將旋轉(zhuǎn)1、不同的旋光物質(zhì)可以使線偏振光的振動面向不同方向旋轉(zhuǎn)。右旋物質(zhì)左旋物質(zhì)2、振動面的旋轉(zhuǎn)角與波長有關(guān)，波長給定則與旋光物質(zhì)的厚度l有關(guān)。3、偏振光通過糖溶液、松節(jié)油時，振動面的旋轉(zhuǎn)角4、磁致旋光：法拉第效應(yīng)、康頓-莫頓效應(yīng)1、不同的旋光物質(zhì)可以使線偏振光的振動面右旋物質(zhì)左旋*旋光現(xiàn)象*旋光現(xiàn)象汽車車燈偏振光的應(yīng)用汽車車燈偏振光的應(yīng)用LCD液晶顯示器

基于偏振光的工作原理LCDLightPolarization：偏振光的應(yīng)用LCD液晶顯示器

基于偏振光的工作原理LCDLightP偏振光的應(yīng)用3D電影偏振光的應(yīng)用3D電影高等光學(xué)研究生課程高等光學(xué)研究生課程光的偏振態(tài)及其表示方法光在介質(zhì)分界面上的反射和折射第二章偏振光學(xué)內(nèi)容提要光的偏振態(tài)及其表示方法第二章偏振光學(xué)內(nèi)容提要光的偏振態(tài)及其表示方法偏振光概述及分類完全偏振光的表示方法（橢圓、邦加球、斯托克斯參量）相位波片旋光現(xiàn)象第二章偏振光學(xué)光的偏振態(tài)及其表示方法第二章偏振光學(xué)光學(xué)現(xiàn)象什么是偏振？光學(xué)現(xiàn)象什么是偏振？什么是偏振？

電磁波是橫波光的振動方向垂直于傳播方向偏振光定義基于光波的電場分量，將光矢量在振動方向上的狀態(tài)，稱為光的偏振光矢量振動面v0HE什么是偏振？電磁波是橫波光的振動方向垂直于傳播方向偏振光什么是偏振？什么是偏振？（1）界面的反射和折射特性隨偏振狀態(tài)而改變（2）介質(zhì)吸收特性可能隨偏振態(tài)而變化（3）物質(zhì)散射偏振敏感（4）各項(xiàng)異性介質(zhì)中光的傳播特性，包括傳播速度和相移，均偏振相關(guān)（5）某些材料具有旋光特性偏振有關(guān)的特性（1）界面的反射和折射特性隨偏振狀態(tài)而改變偏振有關(guān)的特性

（1）光的頻率非常高，f=1014HZ（100THZ）；相對地，人耳聽到的聲波頻率為20HZ~20kHZ，普通電磁波頻率一般低于107HZ。光頻遠(yuǎn)大于電子的固有頻率而無法用電子儀器直接觀察（2）機(jī)械波由機(jī)械振動產(chǎn)生，普通電磁波由電磁震蕩產(chǎn)生，可通過參數(shù)控制；而發(fā)光是原子或離子在不同能級之間躍遷的結(jié)果光的基本特征

（1）光的頻率非常高，f=1014HZ（100THZ）；相1.自然光偏振光的分類2.線偏振光4.圓偏振光5.橢圓偏振光3.部分偏振光1.自然光偏振光的分類2.線偏振光4.圓偏振光5.橢大量原子自發(fā)輻射躍遷，光波在傳播方向、振動方向、位相和頻率隨機(jī)，即不同原子同一時刻發(fā)出的光波沒有關(guān)聯(lián)，而同一原子在不同時刻光波無任何關(guān)聯(lián)。光矢量E在在各個方向上的幾率相等、相位差隨機(jī)，這樣的光稱為自然光。1.自然光自然光大量原子自發(fā)輻射躍遷，光波在傳播方向、振動方向、位相和頻率隨2.線偏振光（平面偏振光、偏振光）在垂直光波傳播方向的某一固定方向上振動的光波光振動平行板面光振動垂直板面完全偏振光—線偏光2.線偏振光（平面偏振光、偏振光）在垂直光波傳播方向的某一一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。沿x-y坐標(biāo)光強(qiáng)分量xyOEExEy一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、不相干的線起偏器：使非線偏振光變成線偏振光檢偏器：檢查入射光的偏振性偏振化方向自然光偏振片線偏振光起偏和檢偏（1）用二向色性晶體（電氣石晶體、硫酸碘奎寧晶體）（2）導(dǎo)電線柵-拉直的細(xì)電導(dǎo)體(金屬、碘原子)-平行電場分量吸收，垂直分量透過起偏器：使非線偏振光變成線偏振光檢偏器：檢查入射光的偏振性偏.....起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器光強(qiáng)發(fā)生變化.....起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器.....起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器光強(qiáng)發(fā)生變化.....起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器.....起偏器檢偏器自然光線偏振光線偏振光的消光比偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器光強(qiáng)發(fā)生變化.....起偏器檢偏器自然光線偏振光線偏振光的消光比偏振光通3.圓偏振光電矢量繞著傳輸方向勻速旋轉(zhuǎn)，且電矢量大小保持不變，矢量端點(diǎn)的軌跡為圓4.橢圓偏振光電矢量繞著傳輸方向勻速旋轉(zhuǎn)，矢量端點(diǎn)的軌跡為橢圓完全偏振光—圓/橢圓偏光3.圓偏振光電矢量繞著傳輸方向勻速旋轉(zhuǎn)，且電矢量大小保持不5.部分偏振光分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的線偏振光。電矢量振幅在不同方向上有不同大小，稱部分偏振光，它介于自然光與線偏振光之間部分偏振光的偏振度偏振光的分類—部分偏振光5.部分偏振光分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的線偏振偏振光的分類表述A:振幅，k:波矢量，:角頻率，0:初始相位波數(shù)實(shí)部（實(shí)際電場）偏振光的分類表述A:振幅，k:波矢量，:角頻率，0:初始光的電場表示（x-y垂直方向兩個分量，沿z方向傳輸）（恒定相位差(,]）xy0EExEy橢圓函數(shù)描述光的偏振態(tài)的參數(shù)CircularPolarizationDemo：光的電場表示（x-y垂直方向兩個分量，沿z方向傳輸）（恒定相總光強(qiáng)恒定橢圓函數(shù)可等效為總光強(qiáng)恒定橢圓函數(shù)可等效為線偏光線偏光右旋光左旋光圓偏光Linear,CircularandEllipticalPolarizationAnimation:右旋光左旋光圓偏光Linear,Circularand振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差對應(yīng)的光的偏振態(tài)振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差對應(yīng)的光的偏振態(tài)振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差對應(yīng)的光的偏振態(tài)(r,)振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差對應(yīng)的光的偏振態(tài)(r,主軸方向：方位角橢圓度：橢圓形狀[橢圓度正負(fù)號“”表示旋光方向，如上所述]偏振橢圓表示法(,)光的偏振態(tài)的表示方法(r,)主軸方向：方位角橢圓度：橢圓形狀[橢圓度正負(fù)號“”表示旋光線偏光和圓偏光的電場空間分布示意圖線偏光和圓偏光的電場空間分布示意圖龐加萊球（Poincaré，邦加球）：光的偏振態(tài)的幾何表示光的偏振態(tài)的表示方法龐加萊球（Poincaré，邦加球）：光的偏振態(tài)的幾何表示龐加萊球（Poincaré，邦加球）（1）球坐標(biāo)(S1,S2,S3)與光的偏振態(tài)一一相對應(yīng)

（2）線偏光：赤道(S1,90o,S3)

如x偏振：(1,/2,0)

y偏振：(1,/2,)（3）右旋圓偏光：北極(1,

0,

S0)

左旋圓偏光：南極(1,

0,

S0)（4）右旋光：北半球(,S3>0)

左旋光：南半球(,S3<0)光的偏振態(tài)的表示方法龐加萊球（Poincaré，邦加球）（1）球坐標(biāo)(S1,S線偏光和圓偏光在邦加球的標(biāo)定光的偏振態(tài)的表示方法線偏光和圓偏光在邦加球的標(biāo)定光的偏振態(tài)的表示方法斯托克斯參量特點(diǎn)：（1）只有三個獨(dú)立項(xiàng)（2）完整描述光強(qiáng)和光的偏振，包括完全偏振光、自然光及部分偏振光如上所述，邦加球(R,,)只表示了光的偏振態(tài)，但并不表示光的強(qiáng)度，而斯托克斯參量既表示光的偏振，又表示光強(qiáng)(S1,S2,S3):邦加球上的直角坐標(biāo)點(diǎn)光的偏振態(tài)的表示方法斯托克斯參量特點(diǎn)：如上所述，邦加球(R,,)只表示了光的相位波片（相位延遲片）相位波片（相位延遲片）波片制造時通常標(biāo)出快（或慢）軸，晶體中波速快的光矢量的方向?yàn)榭燧S，與之垂直的光矢量方向即為慢軸負(fù)單軸晶體時，e光比o光速度快，快軸在e光矢量方向即光軸方向，o光光矢量方向?yàn)槁S，正晶體正好相反波片產(chǎn)生的相位差是慢軸方向光矢量相對于快軸方向光矢量的相位延遲量相位波片波片制造時通常標(biāo)出快（或慢）軸，晶體中波速快的光矢量的方向?yàn)椴Ｆ穸?、全波片相位延遲特點(diǎn)：產(chǎn)生2整數(shù)倍的相位延遲；不改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)特點(diǎn)：增加的相位延遲（1）