
橢圓偏振(Elliptical Polarization)是電磁波傳播過程中電場矢量尖端軌迹呈橢圓形的偏振狀态。其形成機制源于兩個頻率相同、傳播方向一緻但振動方向相互垂直的線偏振光波之間存在非零相位差,當相位差不為0°或180°時,合成電場矢量端點隨時間推移在垂直于傳播方向的平面内作橢圓運動。
在數學表達上,橢圓偏振可表示為: $$ E_x = A_x cos(omega t - kz) $$ $$ E_y = A_y cos(omega t - kz + delta) $$ 其中$A_x$和$A_y$為振幅分量,$delta$為相位差。當$delta eq npi$(n為整數)時,合成電場的矢端軌迹構成橢圓,其形狀由振幅比$A_y/A_x$和相位差$delta$共同決定。
該現象在光學檢測和材料表征領域具有重要應用價值。例如在橢圓偏振光譜儀中,通過測量反射光偏振狀态的變化,可精确推算薄膜材料的厚度(精度達0.1Å)和光學常數(精度達0.001)。美國國家标準與技術研究院(NIST)的研究表明,橢圓偏振技術對納米級表面粗糙度的檢測靈敏度比傳統光學方法提升兩個數量級。
偏振橢圓的主要參數包括橢圓率角$chi$和方位角$psi$,其中橢圓率角定義為$tanchi = pm b/a$($a$、$b$分别為橢圓長半軸和短半軸),正負號對應左旋或右旋偏振特性。方位角$psi$表示橢圓長軸與參考坐标軸的夾角,這兩個參數構成了斯托克斯參數量化偏振态的基礎。
橢圓偏振是光學中描述光波偏振狀态的一種概念,指光波的電矢量在傳播過程中以橢圓軌迹旋轉的現象。以下從定義、物理機制和應用三方面進行詳細解釋:
橢圓偏振光的特點是電矢量的振動方向在垂直于光傳播方向的平面内沿橢圓軌迹周期性變化。與線偏振(直線軌迹)和圓偏振(圓形軌迹)不同,橢圓偏振是兩者的混合态,其形狀由兩個垂直分量的振幅比和相位差決定。當兩個偏振分量的相位差介于0和π/2之間時,形成橢圓偏振光。
數學描述
橢圓偏振可通過兩個互相垂直的線偏振光疊加産生。假設兩個分量的電場分别為:
$$
E_x = A_x cos(omega t)
E_y = A_y cos(omega t + delta)
$$
其中$delta$為相位差。當$delta
eq 0$或π,且$A_x
eq A_y$時,合成電場矢量端點軌迹為橢圓。
偏振參數
橢圓形狀由偏振角ψ(振幅比$tanpsi = A_x/A_y$)和相位差Δ共同決定。例如,當$delta = pi/2$且$A_x = A_y$時,橢圓退化為圓偏振。
橢圓偏振技術(Ellipsometry)是基于此現象的重要光學測量方法:
橢圓偏振儀中,薄膜的反射光偏振态用複數比ρ表示: $$ rho = frac{r_p}{r_s} = tanpsi cdot e^{iDelta} $$ 其中$r_p$和$r_s$分别為p波和s波的反射系數。
橢圓偏振既是基礎物理現象,也是現代精密測量技術的核心原理,在納米科技和材料科學中具有不可替代的作用。
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