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请问径向偏振光(也就是矢量光束的一种)同圆偏振有什么区别呢?

时间:2019-01-26 04:47:05

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请问径向偏振光(也就是矢量光束的一种)同圆偏振有什么区别呢?

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结论:

圆偏振光束中一个固定点的电场方向是不停旋转的,而径向光束中一个固定点的电场方向始终是指向该点的径向方向。另一种特殊的矢量光束是角向偏振光束,光束中固定点的电场偏振方向始终指向该点的角向方向。

简单介绍:

为什么会这样?我们首先要知道“角向指数l=1的右旋拉盖儿高斯光束”和 “ 角向指数l=-1的左旋拉盖儿高斯光束”的电场分布是怎样的。因为径向光束和角向光束可以由这两束光相加或者相减得到。

我们垂直于光束传播方向垂直切光束一刀,得到一个横截面,现在来介绍这个横截面上的电场方向分布。

1、线极化基模高斯光束

横截面上所有点的电场方向指向相同,始终沿着某一个特定的方向(偏振方向)振荡。下图(a)(b)(d)(e)均为线偏振光束横截面示意图。下面所有图中朝右为+x方向,朝上为 +y方向,+z方向指向正在看图的我们。

2、圆极化基模高斯光束

下图为线偏振光束合成圆偏振光束的示意图。x 线偏振光束(a)和相位超前 pi/2 的 y 线偏振光束(b)合成左旋圆偏振光束(c),x 线偏振光束(d)和相位滞后 pi/2 的 y 线偏振光束(e)合成右旋圆偏振光束(f)。这里关于相位超前和滞后 pi/2 的细节先不用管,知道这个意思就行。

线极化光束合成左旋光速(上)、右旋光束(下)示意图

圆偏振光束由相位相差pi/2、偏振方向相互垂直的两束线偏振基模高斯光束合成,其电场方向随时间和空间不断旋转。根据电场旋转方向的不同,可以分为左旋和右旋光束。对于空间传播的圆极化光束,固定时间,右手大拇指指向其传播方向,如果另外四根手指的环绕方向和电场旋转方一致,满足右手螺旋定则,那么此圆极化光束为右旋光束;相反,若满足左手螺旋定则,则为左旋光束。另一种等价的定义为:观察者正对光束传播过来的方向观察空间固定的一点,如果该点的电场方向顺时针转动,则为右旋光束,逆时针转动则为左旋光束(高阶LG光束同样如此)。

单独看圆偏振光束的某一个横截面,所有点的电场指向方向相同,但是看不同横截面,会发现电场方向发生旋转(如下面两个图所示),和线偏振光束不同,线偏振光束所有横截面的电场方向都是一样的(沿偏振方向)。

下面两个图分别给出了左旋和右旋光束不同横截面的电场方向分布。对于左旋偏振光束,你用左手大拇指指向自己,发现随着位置增加,横截面内电场方向的整体旋转满足左手螺旋定则。对于右旋光束,用右手大拇指指向自己,发现随着位置增加,横截面内电场方向的整体旋转满足右手螺旋定则。

左旋光束不同横截面的电场方向分布

右旋光束不同横截面的电场方向分布

3、l=1的右旋拉盖儿高斯光束

lp10 右旋光束不同横截面的电场强度分布

l=1的右旋光束任意横截面上所有点的电场方向和该点径向方向的夹角相同(这和圆偏振基模高斯光束不同,一定要注意这个特点!),随着横截面移动,这个角度值从0->2pi周期变化。根据圆偏振光束第二个等价定义,观察者正对光束传播过来的方向观察空间固定的任意一点,你会看到固定点依次经历图(i)->(h)->(g)->......->(a)中的电场方向,顺时针旋转,因此为右旋光束。

4、l=-1的左旋拉盖儿高斯光束

lp-10 左旋光束不同横截面的电场强度分布

l=-1的左旋光束任意横截面上所有点的电场方向和该点径向方向的夹角相同。观察者正对光束传播过来的方向观察空间固定的任意一点,你会看到固定点依次经历图(i)->(h)->(g)->......->(a)中的电场方向,逆时针旋转,因此为左旋光束。

5、矢量光束(仅限特殊的径向和角向光束,更详细的矢量光束介绍可以自己翻阅文献)

正是由于 3 和 4 中圆偏振光束的旋转方向相反,一个顺时针,一个逆时针,它们相加和相减就可以分别得到径向偏振光和角向偏振光了 !

角向指数 l 的绝对值为 1 的圆偏振光束合成角向偏振光束(上)、径向偏振光束(下)

3 和 4 相加可以发现,每一点的电场方向都沿径向,这就是径向偏振光束。

3 和 4 相减可以发现,每一点的电场方向都沿角向,这就是角向偏振光束。

6、圆偏振光束和矢量光束强行比较

从总的电场强度大小值来看,圆偏振光束总的电场强度分布沿着传播方向基本保持不变(因为相位相差pi/2的两束线极化光束的总电场强度互相填补,把周期变化的强度填补成为实心的),而矢量光速总的电场强度周期性变化。

从电场方向分布来看,圆偏振光束的电场方向沿传播方向周期性改变,而矢量光束的电场方向不变。

圆偏振光束(上)和矢量光束(下)总电场强度分布

径向偏振光束不同横截面的电场强度分布

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