橢圓偏振光和圓偏振光

1、§5-7 橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光指的是在光的傳播方向上，任意一個場點電矢量既改變它的大小，又以角速度（即光波的圓頻率）均勻轉(zhuǎn)動它的方向，或者說電矢量的端點在波面內(nèi)描繪出一個橢圓，而圓偏振光指的是在光的傳播方向上，任意一個場點電矢量以角速度勻速轉(zhuǎn)動它的方向，但大小不變，或者說，電矢量的端點在波面內(nèi)描繪出一個圓，實際上圓偏振光是橢圓偏振光的一個特例。一、圓和橢圓偏振光的描述橢圓偏振光可用兩列頻率相同，振動方向相互垂直，且沿同一方向傳播的平面偏振的疊加得到，在光波沿z方向傳播的情況下，便有 （5-20）由此可得合成波的表達式為 （5-21）上式表明，任意一個場點電矢量端點的軌跡是一

2、個橢圓，橢圓的方程可從（5-20）式中消去因子（）后得到 （5-22）由于和的總值是在和為界的矩形框相內(nèi)切，（圖521）如圖5-21所示，一般來說，它的主軸（長軸或短軸）與軸構(gòu)成角，值可以由下式求出 （5-23）顯然橢圓主軸的大小和聚向與這兩列光波的振幅、以及它們的位相差都有關系。此外，任意一個場點電矢量的端點，橢圓運動的方向也與位相差有關，圖5-22表示各種形態(tài)的橢圓，圖上橫坐標是軸，縱坐標是軸，圖上所注的數(shù)值表示軸的振動超前于軸的數(shù)值。當我們迎著光的傳播方向觀察時，若一個場點的電矢量端點描出的橢圓沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，我們稱之為右旋橢圓偏振光， (圖522)如圖5-22 (圖523)所示的情況

3、都是右旋橢圓偏振光，光我們迎著光的傳播方向觀察時，若一個場點的電矢量端點描出的橢圓沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，則可稱之為左旋橢圓偏振光，如圖5-22中所示的情況都是在左旋橢圓偏振光。值得指出的是：在光的傳播方向z上，各點的電矢量的位相是隨z的增加而逐點落后的，因此同一時刻沿z方向向場中各點電矢量的相對取向與傳播方向之間，在右旋橢圓偏振光中，正好構(gòu)成右手螺旋，如圖5-23（）所示；在右旋橢圓偏振光中正好構(gòu)成左手螺旋，如圖5-23（）所示。圓偏振光只是橢圓偏振光在一定條件下一個特例，即當時，（5-22）式變成上個圓方程，這時在光的傳播方向上任意一個場點電矢量端點的軌跡是一個圓，這咱光我們稱之為圓偏振光，由（

4、5-21）式可得電矢量的表達式為 （5-24）式中的第二項取正號時，表示左旋圓偏振光；取負號時，表示右旋圓偏振光。二、橢圓偏振光和圓偏振光的獲得根據(jù)以上討論，我們可以知道要獲得橢圓（或圓）偏振光，首先必須造成兩束同頻率、振動方向互相垂直，且有確定的位相關系，并沿同一方向傳播的平面偏振光，這個目的可以讓一束平面偏振光通過波晶片圖5-17來實現(xiàn)，因為將一束平面偏振光垂直入射在波晶片上，除電矢量振動方向與波晶片光軸平行或垂直外，波晶片所分解出來的光和光正好滿足頻率相同、振動方向互相垂直，且位相相同并沿同方向傳播的條件，而且由于光和光的傳播速度不同，經(jīng)波晶片出射時，兩束光具有恒定的附加位相差，出射后兩

5、束光合成的結(jié)果，一般地說是橢圓偏振光，電矢量端點所描繪的橢圓運動的方向由兩束光的位相差及波片的光軸取向決定，例如，當一束平面偏振光垂直入射到四分之一波片上，且電矢量的振動方向與波片的光軸成一角度時，一般來說，出射光是橢圓偏振光，它可用下式表示：如果波片是由負晶體制成的，其光軸沿軸，入射的平面偏振光的振動在第一、三象限里，式中取時，出射光是圖5-22中（）所示的右旋正橢圓偏振光；若入射的平面偏振光的振動方向不變，而波片的光軸沿軸，即么式中取，出射光是圖5-22中（）所表示的左旋正橢圓偏振光。一種特殊的情況是入射平面偏振光的電矢量振動與四分之一波片的光軸成角，這時光和光的振幅相等，從四分之一波片出

6、射的光成為圓偏振光。應該指出，如果四分之一波片的厚度，則光通過四分之一波片時，光（方向）和光（方向）間要引入的位相差，出射后的合成波應為當時，出射光是右旋圓偏振光；當時，透射光是左旋圓偏振光。三、自然光改造成橢圓或圓偏振光自然界中大多數(shù)光源發(fā)出的光是自然光，如果把自然光直接入射到波晶片上，出射后，不可能得到橢圓偏振光，因為自然光是電矢量軸對稱分布的大量平面偏振光的集合，這里平面偏振光有各種可能的取向，各種取向的電矢量彼此之間沒有固定的位相差，其中對于那些電矢量沿光軸或垂直光軸的平面偏振不，出射后是偏振方向不變的平面偏振光，其它大量的是電矢量與光軸成一任意角度的平面偏振光，這些平面偏振光在波晶片內(nèi)都要被分成光和光，出射后，一般地說合成的是橢圓偏振光，所以自然光經(jīng)過波晶片后的偏振態(tài)，是大量的、有各種長短軸比例的橢圓偏振光的集合，這些大量的橢圓偏振光仍然是無規(guī)分布的，彼此之間沒有固定的位相關系，因此，這種光從宏觀上看是軸對稱分布的，仍然是自然光。由此可以看出，要使自然光轉(zhuǎn)化為橢圓偏振光，首先必須通過一個偏振器產(chǎn)生出平面偏振光，然后將它垂直地入射到一塊波晶片上， (圖524)如圖5-24所示，通常把一個恰當取向的起偏器和一塊波晶片的串接組合叫做橢圓偏振器，自然光通過橢圓振器后轉(zhuǎn)化為橢圓偏振光。對于自然光，若要把它轉(zhuǎn)