
椭圆偏振(Elliptical Polarization)是电磁波传播过程中电场矢量尖端轨迹呈椭圆形的偏振状态。其形成机制源于两个频率相同、传播方向一致但振动方向相互垂直的线偏振光波之间存在非零相位差,当相位差不为0°或180°时,合成电场矢量端点随时间推移在垂直于传播方向的平面内作椭圆运动。
在数学表达上,椭圆偏振可表示为: $$ E_x = A_x cos(omega t - kz) $$ $$ E_y = A_y cos(omega t - kz + delta) $$ 其中$A_x$和$A_y$为振幅分量,$delta$为相位差。当$delta eq npi$(n为整数)时,合成电场的矢端轨迹构成椭圆,其形状由振幅比$A_y/A_x$和相位差$delta$共同决定。
该现象在光学检测和材料表征领域具有重要应用价值。例如在椭圆偏振光谱仪中,通过测量反射光偏振状态的变化,可精确推算薄膜材料的厚度(精度达0.1Å)和光学常数(精度达0.001)。美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究表明,椭圆偏振技术对纳米级表面粗糙度的检测灵敏度比传统光学方法提升两个数量级。
偏振椭圆的主要参数包括椭圆率角$chi$和方位角$psi$,其中椭圆率角定义为$tanchi = pm b/a$($a$、$b$分别为椭圆长半轴和短半轴),正负号对应左旋或右旋偏振特性。方位角$psi$表示椭圆长轴与参考坐标轴的夹角,这两个参数构成了斯托克斯参数量化偏振态的基础。
椭圆偏振是光学中描述光波偏振状态的一种概念,指光波的电矢量在传播过程中以椭圆轨迹旋转的现象。以下从定义、物理机制和应用三方面进行详细解释:
椭圆偏振光的特点是电矢量的振动方向在垂直于光传播方向的平面内沿椭圆轨迹周期性变化。与线偏振(直线轨迹)和圆偏振(圆形轨迹)不同,椭圆偏振是两者的混合态,其形状由两个垂直分量的振幅比和相位差决定。当两个偏振分量的相位差介于0和π/2之间时,形成椭圆偏振光。
数学描述
椭圆偏振可通过两个互相垂直的线偏振光叠加产生。假设两个分量的电场分别为:
$$
E_x = A_x cos(omega t)
E_y = A_y cos(omega t + delta)
$$
其中$delta$为相位差。当$delta
eq 0$或π,且$A_x
eq A_y$时,合成电场矢量端点轨迹为椭圆。
偏振参数
椭圆形状由偏振角ψ(振幅比$tanpsi = A_x/A_y$)和相位差Δ共同决定。例如,当$delta = pi/2$且$A_x = A_y$时,椭圆退化为圆偏振。
椭圆偏振技术(Ellipsometry)是基于此现象的重要光学测量方法:
椭圆偏振仪中,薄膜的反射光偏振态用复数比ρ表示: $$ rho = frac{r_p}{r_s} = tanpsi cdot e^{iDelta} $$ 其中$r_p$和$r_s$分别为p波和s波的反射系数。
椭圆偏振既是基础物理现象,也是现代精密测量技术的核心原理,在纳米科技和材料科学中具有不可替代的作用。
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