高等光学第讲课件.ppt

高等光学课件第讲第1页，此课件共49页哦一、偏振态的定义及其物理图像二、Jones 矢量表示法三、斯托克斯参量表示法和邦加球表示法1-8 矢量光波的偏振态及其表征第2页，此课件共49页哦一、偏振态的定义及其物理图像光波是横波 在垂直光波传播的方向（即 的方向）的平面内，的振动方向可能多种多样。根据矢量 末端描绘的轨迹特点定义矢量光波的偏振态。根据轨迹的特点，光波的偏振态分为三类五种：完全偏振非偏振：电场矢量末端在垂直光传播方向的平面内投影点合振幅相等（如自然光）部分偏振：电场矢量末端在垂直光传播方向的平面内投影点在两个正交方向上合振 幅不等第3页，此课件共49页哦完全偏振光的物理图像第4页，此课件共49页哦部分偏振光的物理图像第5页，此课件共49页哦1、简谐平面波电矢量分量的表示二、Jones 矢量表示法分析对象：波矢量 沿 正方向的简谐平面波，电场矢量分解到x、y方向，分量表示为：第6页，此课件共49页哦2、电场矢量末端的轨迹方程椭圆偏向角椭圆度第7页，此课件共49页哦3、平面波偏振态的Jones矢量表示法电场 分量的复数表达式：Jones矢量：一般地，Jones矢量的形式为：归一化Jones矢量：令：与x轴正向所夹的角第8页，此课件共49页哦4、Jones矢量空间的基矢任意一偏振光可以分解为一组基矢的线性组合:两对基矢：两对基矢之间的关系：两对基矢之间的变换矩阵：线偏振光=两个相反方向旋转的圆偏振光的迭加圆偏振光=等振幅、位相差/2的沿x、y方向振动的线偏振光的迭加第9页，此课件共49页哦5、线性光学器件Jones矩阵入射光出射光线性光学器件即：Jones矩阵：级联线性光学器件的Jones矩阵：J1J2J3Jn第10页，此课件共49页哦6、Jones矩阵的本征矢，沿这两个方向通过时，光的偏振状态不变，仅振幅按本征值变化Q：本征矢与前面提到的基矢有何异同？第11页，此课件共49页哦三、斯托克斯参量表示法和邦加球表示法1、单色光波偏振态的Stokes参量其中：第12页，此课件共49页哦2、单色光波偏振态的邦加球表示第13页，此课件共49页哦1-9 准单色光的偏振特性及其表征一、准单色光偏振状态表示的琼斯矢量表示 二、准单色平面波的相干矩阵 三、准单色光波偏振度的表示 四、准单色光的斯托克斯参量及其对部分偏振光的描述 五、线性光学元件的密勒矩阵 第14页，此课件共49页哦一、准单色光偏振状态表示的琼斯矢量表示 准单色光Jones矢量：()()第15页，此课件共49页哦二、准单色平面波的相干矩阵 保留单色平面波中与时间有关的因子，直角系下其分量可表示为：1、相干矩阵的定义且第16页，此课件共49页哦2、相干矩阵矩阵元的测量方法和第17页，此课件共49页哦第18页，此课件共49页哦三、准单色光波偏振度的表示 定义：其中第19页，此课件共49页哦四、准单色光的斯托克斯参量及其对部分偏振光的描述 1、准单色光的斯托克斯参量定义2、斯托克斯参量和相干矩阵元之间的变换关系 第20页，此课件共49页哦3、准单色光的斯托克斯参量的测量 第21页，此课件共49页哦对于偏振光对于部分偏振光部分偏振光=自然光+偏振光 4、部分偏振光的斯托克斯矩阵 第22页，此课件共49页哦（1）当P=0，在邦加球球心(原点)处，表示非偏振态。（2）当 P=1，在邦加球球面上的点表示全偏振态。（3）当0 P 1，没有物理意义。5、部分偏振光在邦加球上的表示第23页，此课件共49页哦五、线性光学元件的密勒矩阵 入射光出射光线性光学器件第24页，此课件共49页哦1-10 两种电介质的界面上光波的反射和折射 一、反射定律和折射定律二、菲涅耳公式三、全反射和倏逝波 四、全反射条件下反射光的相移 五、全反射条件下透射光波场的玻印廷矢量 六、古斯汉欣(Goos-Hanchen)位移 第25页，此课件共49页哦 一、反射定律和折射定律 电磁波入射到介质界面时，发生反射和折射现象，利用电磁场边值关系分析反射和折射的规律。kikrkti、r、t分别代表入射、反射和透射光据边界条件：得：第26页，此课件共49页哦要求指数项在平面相等，则选取界面z=0时，有：入射、反射、折射在同一个平面。有：且：Snell 定律（角度关系）第27页，此课件共49页哦二、菲涅耳公式光波的电矢量E E分解为两个分量，一种是振动在入射面内的分量，即平行分量，简称为p分量，下标以/来标记；另一种是振动垂直于入射面的分量，即垂直分量，简称为s分量，下标以来标记。在反射和折射过程中这两个分量是相互垂直、互相独立的，因此可分别讨论垂直和平行分量，分析反射和折射的情况。EEE/入射光电矢量的分解入、反、透/折射振幅之间的关系第28页，此课件共49页哦1、E垂直于入射面分量（s波）第29页，此课件共49页哦2、E平行于入射面分量（p波）第30页，此课件共49页哦即：反/透射系数：第31页，此课件共49页哦3、rs、rp、ts、tp与入射角关系（2）透射光中，p分量振幅绝对值却总是大于或等于s分量振幅绝对值。（1）反射光中，s分量振幅绝对值总是大于或等于p分量振幅绝对值；自然光自然光部分偏振光部分偏振光圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光(n1=1,n2=1.5)(n1=1.5,n2=1)tptsrprstptsrprs第32页，此课件共49页哦布儒斯特角：由折射率公式，得到布儒斯特角：意义：如果光在这个角度下入射，则反射光的电矢量没有入射面上的分量（即p分量）。第33页，此课件共49页哦4、反、折射相位的变化第34页，此课件共49页哦第35页，此课件共49页哦第36页，此课件共49页哦37对于s分量半波损失：反射过程中振幅矢量的相位不连续，存在大小等于的相位突变，或半个波长的光程损失。光疏介质进入光密介质时的反射:s分量在透射过程没有半波损失分量在透射过程没有半波损失p分量在透射过程没有半波损失分量在透射过程没有半波损失s分量在反射过程中出现半波损失分量在反射过程中出现半波损失p分量在反射过程的相位变化一般较为复杂分量在反射过程的相位变化一般较为复杂与 及 与 相位相同与 相位相反第37页，此课件共49页哦a）掠入射时：b）垂直入射时：对 于p分量表明此时 与 相位相反，反射过程存在半波损失；仍然有 ，但 与 的瞬时方向刚好相反。因此，振幅系数大于0，表明此时p分量的 与 相位相反，即反射过程同样存在半波损失。第38页，此课件共49页哦5、反射率和透射率第39页，此课件共49页哦第40页，此课件共49页哦第41页，此课件共49页哦三、全反射和倏逝波 透射波的电矢量可表示为：E(t)振幅大小随z增大按指数衰减。第42页，此课件共49页哦振幅为z=0界面处振幅的1/e时，距离z定义为穿透深度。当n1=1.5，c=50时，z00.3，全反射时电场穿透深度为波长量级。第43页，此课件共49页哦四、全反射条件下反射光的相移 相移为：或为：第44页，此课件共49页哦五、全反射条件下透射光波场的玻印廷矢量 代入计算得：第45页，此课件共49页哦第46页，此课件共49页哦六、古斯汉欣(Goos-Hanchen)位移 第47页，此课件共49页哦第48页，此课件共49页哦第49页，此课件共49页哦