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偏振是什么?

时间:2020-01-18   访问量:2943

偏振是什么?

What is Polarization?


偏振是所有类型矢量波的共同特性。在经典物理学中,光被建模为正弦电磁波,其中振荡的电场和振荡的磁场通过空间传播。由于磁场总是垂直于电场,所以我们通常只画出电场来表示光波的振荡。偏振是由电场矢量作为时间的函数在横切面上描绘出来的图形来定义的。


如果光的偏振面在光束传播方向周围随机波动,那么就称为自然光或非偏振光,因此,平均而言,光不偏向任何方向。例如,大多数自然产生的光(阳光、火光)是无偏振的。在任何其他情况下,光束可以被认为是由部分偏振光或全偏振光组成。


光束的偏振可以用它的电场矢量来表示。它的光功率是一个标量,与电场振幅的均方成正比。假设z是传播的方向。然后,偏振向量在x-y平面上。将t时刻任意位置的x、y矢量分量迭加,偏振矢量可以表示为:

偏振矢量公式.png

其中,Ex和Ey是电场的x和y分量的振幅;式中ex, ey为x-y正交参考系的单位向量; ω为角频率; δx和δy分别是电场在x和y方向上的相位。相位差为: δ = δx - δy 。


图1显示了x-y平面上电场矢量随时间的变化。

偏振相位.png

图1 (a)相对相位差的两个正交电场分量。(b)两个正交分量之间没有相位差。


偏振光可按δ值分为三组: 线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。线偏振光在x和y电场分量之间没有相位差(δ=0)。圆偏振光具有固定的90度相位差,且两个电场分量的振幅相同(即δ= 90°和Ex = Ey)。对于所有其他的δ值,Ex和Ey,偏振状态是椭圆的。


庞加莱球和斯托克斯向量(Poincaré Sphere and Stokes Vectors)

用庞加莱球来描述传播电磁波的偏振和偏振变化。它提供了一种方便的方法来表示偏振光,并预测任何给定的延迟器将如何改变偏振形式。任何给定的偏振状态都对应于球面上的一个唯一点。球体的两极代表左旋和右旋圆偏振光。赤道上的点表示线性极化。球面上的所有其他点代表椭圆偏振状态。赤道上任意选的点H表示水平线偏振,与之完全相对的点V表示垂直线偏振。

偏振态的庞加莱球表示.png

图2 偏振态的庞加莱球表示


斯托克斯参数与庞加莱球的表示有一个简单的物理解释。它们也有与强度测量相关的物理解释。在给定的Oxyz参考系(Oz为光传播方向)中,Stokes矢量可以表示为:

Stokes矢量.png

其中I0为光的总功率,Ix, Iy为x线偏振光强和y线偏振光强,I+45, I-45为45度线偏振光强和-45度线偏振光强,IL, IR为左右圆偏振光强。

如果用S0对[S1 S2 S3]进行规格化,我们将得到SOP [S1 S2 S3],即庞加莱球上一点的坐标。


偏振度(DOP)定义为: 

                                   DOP = sqrt[S12 + S22 + S32, 值在0到1之间。


当DOP=0时,光是无偏振的,当DOP=1时,光是完全偏振的。中间情况对应于部分偏振光。

DOP也可以表示为:    DOP = Ipol / (Ipol + Iunp)

其中Ipol、Iunp分别为偏振光强度和非偏振光强度。


双折射(Birefringence)是什么?

在均匀或各向同性的介质中,光以相同的速度传播,而不受偏振状态的影响。该速度,即ν,可以表示为: ν = c / n 。

其中c为光在真空中的速度,n为介质的折射率。


如果光在各向异性介质中传播,偏振光在不同方向上的传输速度是不同的。人们可以用两个特殊的正交轴称为主轴来表示介质的传输特性。

通常,这可以用不同的折射率来表示,如普通折射率(no)和特殊折射率(ne)。no和ne之间的区别称为双折射。双折射Birefringence也称为双折射Double refraction。

因此,折射率是测量光通过介质的速度。如果介质是双折射的,入射到一个主轴上的平面偏振光在介质中的传播速度要快于入射到另一个主轴上的平面偏振光。因此,沿两轴投射的光信号的两个偏振分量在通过材料时将经历相对的相位差。


如果一个光脉冲发射到由双折射材料制成的光纤中,其偏振方向与光纤的任意一个主轴对齐,那么该脉冲就会通过光纤传输,并以与发射时相同的偏振状态出现。然而,如果我们以随机定向偏振的方式发射脉冲,那么一部分脉冲沿其中一个主轴发射,一部分脉冲沿另一个主轴发射。由于介质的双折射,脉冲的两部分以不同的速度传播。因此,由于这两部分在不同的时间从光纤中退出,使得脉冲变宽,偏振状态发生变化。


PMD是什么?

PMD代表偏振模色散。当光纤中不同偏振分量的光以略微不同的速度传播时,就会发生这种现象,如图3所示。偏振模色散是由光纤的双折射直接引起的。造成双折射的主要原因是光纤束的不对称,光纤芯呈略微椭圆形或偏圆,以及光纤受到的机械应力。这种不对称可能是制造过程中纤维固有的,也可能是部署纤维上的机械应力的结果。纤维的内在不对称随着时间的推移是相当恒定的,而由纤维的运动或温度变化引起的机械应力会发生变化,从而导致PMD的动态变化。一阶PMD称为微分群延迟(DGD)。

PMD偏振模色散.png

图3 真实的光纤就像许多系列的不同方向和双折射的延迟板。它等价于一个具有慢轴和快轴和有效双折射的单延迟板。一个光脉冲的扩大是因为两个偏振分量以不同的速度传播。


由于PMD的动态特性,对于给定的纤维截面,PMD没有一个固定的值。相反,它是根据平均DGD来描述的,并且一根纤维具有DGD值随时间的分布。DGD在任何特定时间具有一定值的概率遵循如图4所示的麦克斯韦分布。作为近似,最大瞬时DGD约为光纤平均DGD的3.2倍。

DGD分布.png

图4 DGDs的麦克斯韦分布。


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