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部分偏振光的表示方法
王晓,石顺祥,马琳
(西安电子科技大学技术物理学院,陕西西安710071)
摘要随着光纤通信和光纤传感的快速发展,人们对光的偏振态提出了越来越高的要求。光是一种横波,其偏振态大致分为:完全偏振光、部分偏振光和自然光。文中介绍了完全偏振光的几种表示方法,给出了几种部分偏振光的描述方法。并阐述了它们之间的差异与联系。
关键词偏振态;完全偏振光;部分偏振光
中图分类号TP212·14文献标识码A文章编号1007-7820(2009)06-078-03
SeveralRepresentationsofStateofPolarizationofLight
WangXiao,ShiShunxiang,MaLin
(SchoolofTechnicalPhysics,XidianUniversity,Xian710071,China)
AbstractAlongwiththerapiddevelopmentoffiberopticcommunicationsandopticalfibersensing,thedemandsonthepolarizationstateoflightarehigherandhigher·Lightisatransversewave,whosepolarizationstateisclassifiedintothefollowingkinds:completepolarizedlight,partiallypolarizedlightandnaturallightThisarticleintroducesseveralexpressivewaysofcompletepolarizedlightandpartiallypolarizedlight,andelaboratesthedifferencesandrelationsbetweenthem·
Keywordsstateofpolarization;completepolarizedlight;partiallypolarizedlight
随着科学技术的发展,光纤通信和光纤传感越来越受到人们的关注。近几年来,用于传感器的特殊光纤发展尤为迅速。比如,用光纤制成的角速度传感器———光纤陀螺,主要用于飞机、船舶、坦克等的导航,利用法拉第效应制成的光纤磁传感器和偏振型光纤电压、电流传感器等[1]。这些特殊用途的光纤都对光的偏振提出了很高的要求。
光的偏振态可以分为3类:完全偏振光(包括线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光)、非偏振光和部分偏振光。非偏振光也叫自然光。对于完全偏振光的描述是比较常见的,但是对于部分偏振光的数学描述却很少。文中介绍了完全偏振光的表示方法,并给出了几种部分偏振光的描述方法。
1完全偏振光的描述
光学中的偏振态,是用其电场矢量端点的轨迹来描述的。两个振动方向互相垂直,沿同一方
向传播的线偏振光的合成可以得到线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光。线偏振光和圆偏振光可以看作是椭圆偏振光的特例。
1·1电矢分量方法
1·1·1用振幅比和位相差表示
沿z方向传播的平面单色波,光矢量E在xy平面上,x分量和y分量的轨迹方程为Ex=Axcos(ωt+δs)
Ey=Aycos(ωt+δy)(1)
其中Ax、Ay为振幅,δx、δy为初相位。设振幅比角为α,位相差为δ,即
tanα=Ay/Axδ=δy-δx(-π≤δ≤π)(2)
得到光矢量末端的轨迹方程为

式(3)为一椭圆方程,如图1所示。根据位相差δ，可以确定所描述的光的偏振态。当δ=0或π时为线偏振光;当δ=±π/2时为长、短轴分别在x、y轴上的椭圆偏振光;如果δ=±π/2,同时有Ax=Ay,则为圆偏振光。光矢量的末端旋转方向取决于δ的取值范围,0<δ<π为右旋,-π<δ<0为左旋。所以,振幅比tanα和位相差δ可以决定椭圆的形状和旋向,从而确定光的某一偏振状态。在分析和计算偏振光在单只光学器件中的传输问题时,电矢量方法用得最多。

图1光的偏振态的电矢分量描述
1·1·2用椭圆长轴的方位及椭圆度表示
在图1中,取x′、y′轴为椭圆长、短轴的方向,其长短半径分别为ax和ay。θ为椭圆长轴与X轴的夹角;椭圆的长短半径之比为椭圆度,表示为:tanβ=短轴/长轴=±ay/ax。
当0<β<π/4时为右旋,当-π/4<β<0时为左旋。所以利用椭圆长轴的方位θ与椭圆度β也
能描述椭圆的形状和旋向,从而确定光的某一偏振状态。显然,β、θ和α、δ是可以用公式相互换算的[2]。根据两坐标系的变换关系,它们之间的关系为
A2x+A2y=a2x+a2y
tan2θ=tan2αcosδ
sin2β=sinδsin2α(4)
1·2琼斯矢量法
琼斯矢量是一个二元矢量,它描述的是沿光传播方向上某点的以复振幅表示的偏振态。