偏振光的Stokes列矩阵表示及应用.pdf

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1、第26卷第2期光学仪器Vol.26,No.22004年4月OPTICALINSTRUMENTSApril,2004文章编号:1005-5630(2004)02-0042-05X偏振光的Stokes列矩阵表示及应用陈卫斌,顾培夫(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:介绍了光学系统的偏振效应以及常用的偏振分析方法,引入了Stokes列矩阵来表示入射光波的偏振特性,并给出了Stokes各参量的实验测定方法与计算公式。关键词:Stokes列矩阵;偏振效应;偏振度;偏振类型中图分类号:O484.4文献标识码:AUsingStokesvectorexpresspolarize

2、dlightandapplicationCHENWei-bin,GUPei-fu(StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Polarizationeffectsinopticalsystemsandcommonmethodsofpolarizationanalysisarepresented.Stokesvectorisinducedtoexpressthepolarizationofinputlight.Experimenttomeas

3、ureStokesvectorandtheformulasarealsodiscussedbriefly.Keywords:Stokesvector,polarizationeffect,degreeofpolarization,polarizationtype1引言对光学系统偏振效应的准确建模是评估光学系统性能一个非常重要的工具。偏振分析建模可以分为两个方面:一是入射光束的建模,比如对入射光束各种偏振态的建模;二是对改变光束偏振态的各光学元[1]件的建模。要对整个光学系统的偏振效应进行分析建模,这两方面都是极其重要的。如果对所有光学元件界面的偏振分析仅仅局限在全偏振光,其应用范围将大受限制

4、。所以,建模的时候应该包括对部分偏振光和非偏振光的建模。这样的建模提高了在任何入射光条件下对光学系统偏振特性进行分析的准确性。所以,必须进行对入射光束偏振特性进行全面的描述。常用的偏振分析方法有Jones算法、Mueller算法、偏振光线追[2]迹算法三种,分别用Jones矢量、Stokes矢量、三维偏振矢量来表示入射光束的偏振特性。2Stokes列矩阵的引入[4]对于如图1所示的椭圆偏振光,可以用两种方式表示其椭圆偏振态。第一种表达方式是ExEx′cosB=R(-H)=R(-H)(1)EyEy′jsinBX收稿日期:2003-11-30作者简介:陈卫斌(1981-),男,浙江温岭人,在读硕

5、士生,主要从事薄膜偏振器件的研究工作。第2期陈卫斌等:偏振光的Stokes列矩阵表示及应用·43·b式中:tgB=±(2)atgB为椭圆率,b为短半轴长度,a为长半轴长度,“±”规定:右旋为“+”,左旋向为“-”。B的定义域为(-P/4,P/4),B>0为右旋,B<0为左旋。图1椭圆偏振光的特征参量第二种表达方式是:j

6、Ex,Ey,<在测量的时候被认为是恒定的。为了处理部分偏振光和非偏振光,特引入Stokes列矩阵。如图二所示的Poincare球表示的偏振光,可得1S1=cos2Bcos2H21S2=cos2Bcos2H(5)21S3=sin2B2Stokes参量由S0,S1,S2,S3来表示光波的振幅、相位和偏振。他们可以用电场矢量在直角坐标下的分量来[3]表示:22S0=〈Ex〉+〈Ey〉22S1=〈Ex〉-〈Ey〉(6)S2=2〈ExEycos<〉S3=2〈ExEysin<〉其中,<=

7、5°和-45°偏振分量的光强差,S3表示右旋和左旋圆偏振分量的光强差。如果S2、S3或者S4分量不为零,则表示光波存在偏振特性。Stokes参量是可以测量的量,其量纲是光强。它不仅可以描述全偏振光,还可以描述部分偏振光和自然光。用强度表示的Stokes参量为:S0=I0=Ix+Iy=I+45°+I-45°=Il+IrS1=Ix-Iy(7)S2=I+45°-I-45°S3=Il-Ir·44·光学仪器第26卷归一