光波的横波性、偏振态及其表示.ppt

* 1.6 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 2. 平面光波的偏振特性 1. 平面光波的横波特性 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 式和 式，可得 1. 平面光波的横波特性 对于各向同性介质，因 D//E ，有 对于非铁磁性介质，因 B = ?0H，有 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，平面光波是横电磁波。 1. 平面光波的横波特性 如果将（93）式、（94）式代入 式，可以得到 1. 平面光波的横波特性 因为 所以 对于平面单色光波 因此 因此 由此可见，E 与 B、H 相互垂直，因此，k、 D(E)、B(H)三矢量构成右手螺旋直角坐标系统。 又因为 S = E?H，所以 k//S，即在各向同性分质 中，平面光波的波矢方向(k)与能流方向(S)相同。 1. 平面光波的横波特性 进一步，根据上面的关系式，还可以写出 E 与H 的数值之比为正实数，因此 E 与H 同相位。 1. 平面光波的横波特性 综上所述，可以将一个沿 z 方向传播、电场矢量限于 xOz 平面的电磁场矢量关系. 不是能量变化曲线（能量不变 ），而是相位变化曲线。 E v 0 H 光矢量 振动面 1. 平面光波的横波特性 2. 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方向是不对称的，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。 1）光波的偏振态 根据空间任一点光电场 E 的矢量末端在不同时刻的轨迹不同，其偏振态可分为： （1）线偏振；（2）圆偏振；（3）椭圆偏振 设光波沿 z 方向传播，电场矢量为 为表征该光波的偏振特性，可将其表示为沿 x、y 方 向振动的两个独立分量的线性组合，即 1）光波的偏振态 上二式中的变量 t 消去，经过运算可得 式中， 。 1）光波的偏振态 其中 这个二元二次方程在一般情况下表示的几何图形是椭圆，如图所示。相位差 ? 和振幅比 Ey／Ex 的不同，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。 1）光波的偏振态 下图画出了几种不同? 值相应的椭圆偏振态。实际上，线偏振态和圆偏振态都是椭圆偏振态的特殊情况。 当 Ex 、Ey 二分量的相位差 时，椭圆退化为一条直线，称为线偏振光。此时有 当 m 为零或偶数时，光振动方向在 I、Ⅲ 象限内；当 m 为奇数时，光振动方向在 Ⅱ、Ⅳ 象限内。 （1）线偏振光 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，所以又叫做平面偏振光。通常将包含光矢量和传播方向的平面称为振动面。 . . . . . . . . . 光矢量在屏平面内 光矢量与屏平面垂直 光矢量与屏平面斜交 （1）线偏振光 当 Ex 、Ey 的振幅相等( )，相位差 时，椭圆方程退化为圆方程 该光称为圆偏振光。用复数形式表示时，有 （2）圆偏振光 式中，正负号分别对应右旋和左旋圆偏振光。 所谓右旋或左旋，与观察的方向有关，通常规定逆着光传播的方向着，E 顺时针方向旋转时，称为右旋圆偏振光，反之，称为左旋圆偏振光。 （2）圆偏振光 （2）圆偏振光 右旋圆 偏振光 y y x z 传播方向 ? /2 x E 某时刻左旋圆偏振光 E 随 z 的变化 0 （3）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小和方向都在改变，它的末端轨迹是由（l04）式决定的椭圆，故称为椭圆偏振光。 椭圆的长、短半轴和取向与二分量 Ex、Ey 的振幅和相位差有关。其旋向取决于相位差?： 当 时，为右旋椭圆偏振光； 当 时，为左旋椭圆偏振光。 右旋椭圆 偏振光 （3）椭圆偏振光 2）偏振态的表示法 （1）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 Ex 和 Ey 叠加后一般情况下将形成椭圆偏振光： E0x 、E0y 和 ? 描述了该椭圆偏振光的特性。 在实际应用中，经常采用由长、短轴构成的新直角坐标系x?Oy ?中的两个正交电场分量 Ex? ，Ey ? 描述偏振态。如图所示，新旧坐标系之间电矢量的