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【平面光学导论】S1E15-偏振光学1-概述

已有 539 次阅读 2018-10-11 18:05 |系统分类:科研笔记

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  从本节开始,我们进入光子学基础的第六章,偏振光学

  本章的封神榜人物是:奥古斯丁,让,菲涅尔。

  他提出一种光的理论,认为光的波动表现为横向振动,也即光是一种横波。

  描述光的部分反射和折射的方程式以他的名字命名。 

  菲涅耳也为光的衍射理论做出了重要贡献。


  空间中,某特定位置的光的偏振态由电场矢量ε(r,t)在该位置处的时间进程决定。

  在简单的材料中,电场矢量位于与该位置处的波前平行的平面内。

  对单频光,该平面内的复振幅矢量E(r)的任何两个正交分量均随时间t成正弦变化,一般情况下两分量的幅度和相位不同,因此矢量E(r)的末端轨迹,是一个椭圆。

  由于波前在不同位置的方向往往是不同的,那么电场矢量所在的平面及其法线方向,以及椭圆的形状,也随之变化,如图6.0-1(a)所示。


  然而,对于平面波而言,波前是一组与传播方向垂直的平行平面,并且偏振椭圆在各个位置处都是相同的,如图6.0-1(b)所示,尽管在任意给定时间,不同位置处的场矢量之间不一定是平行的。

  因此平面波可以用单个偏振椭圆来描述,并且被称为是椭圆偏振的。

  该偏振椭圆的方向和椭圆度决定了平面波的偏振态,而偏振椭圆的大小则由光强决定。

  当偏振椭圆退化成直线或变成圆形时,对应的光频电磁波,分别称为线偏振光或圆偏振光。


  图6.0-1显示了单频光在不同位置处的电场矢量的时间进程,(a)任意波;(b)沿z方向传播的平面波或者近轴波


  在近轴光学系统中,光的传播方向构成一个以光轴,也即z轴,为中心轴的窄圆锥体,且光波近似为横电磁波,也即TEM波,那么电场矢量可以近似为位于与光轴垂直的平面内,其轴向分量可忽略。 

  从偏振的角度来看,近轴波可以通过平面波近似,并由单个偏振椭圆描述, (或者是圆,或直线)。


  偏振在光与物质的相互作用中起着重要作用,具体可由以下实例说明:

  •   在两种材料的边界处反射的光强取决于入射波的偏振态。

  •   某些材料对光的吸收与偏振态有关。

  •   物质对光的散射通常是偏振敏感的。

  •   各向异性材料的折射率取决于偏振态。具有不同偏振态的电磁波以不同的速度传播并经历不同的像移,这使得偏振椭圆随着波向前传播而不断改变,(例如,线偏振光可以转换成圆偏振光)。该特性被用于许多光学元件的设计。

  •   线偏振光在通过某些特定介质时,电场矢量所在的面会旋转,这些介质包括具有旋光性的介质,液晶和某些存在外部磁场的物质。


  本书第六章,全部用于介绍基本的偏振现象及一些相关应用。 

  在第6.1节中,通过矩阵法介绍椭圆偏振光的概念,矩阵法便于描述偏振元件。

  6.2节讨论偏振态对不同介质材料之间的界面处的光的反射和折射的影响。 

  光通过各向异性介质,旋光性介质和液晶的传播是6.3、6.4和6.5节的主题。 

  最后,基本的偏振元件如偏振片,延迟器和偏振态旋转器在第6.6节讨论。


  本课程将详细讨论6.1和6.2节的内容,6.3节到6.6节的内容暂时不讲。


(本课件由华中科技大学,光学与电子信息学院,易飞老师课题组制作,更多详情,请访问www.nanohust.cn)



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