Из которой делением второго уравнения на первое получаем:

q - = Emy cos(dy ) - Emx sin(dx ) (12) tg( t0 )

Сумма квадратов первого и второго уравнения подсистемы (11) дает

Теперь вновь вернемся к системе (10). Сумма квадратов всех уравнений системы (10) дает нам выражение для амплитуды A:

(14) A2 = Emx2 + Emy2

Рассмотрим разности квадратов первого и четвертого уравнений системы (10) и третьего и второго:

Разность первого и второго уравнения подсистемы (15) приводит нас к соотношению

(16) A2 cos(2e ) cos(2q ) = Emx2 - Emy2

Соотношения (12), (13), (14) и (16) позволяют нам записать следующие выражения, связывающие параметры эллиптического колебания с амплитудами и фазами компонент поля:

Таким образом, нами доказано, что плоская монохроматическая волна в общем случае обладает эллиптической поляризацией. Можно показать, что это справедливо для любой монохроматической волны. Связь параметров эллипса поляризации с амплитудами и фазами x- и y-компонент поля задается выражениями (17)-(19). Важно отметить, что параметры, характеризующие форму и ориентацию эллипса (e q ) определяются значением амплитуд и разностью фаз между компонентами поля. Сами значения начальных фаз влияют только на абсолютную фазу t0 , характеризующую начальное положе-

r

ние вектора E .

1.2 Вектор Джонса однородной плоской волны

8

Из электродинамики известно, что однородная плоская монохроматическая электромагнитная волна может быть записана в комплексной форме:

вующих компонент поля. Как и прежде будем рассматривать плоскость z = 0 . Вся информация о волне содержится именно в комплексных амплитудах компонент поля. По-

этому для компактного описания однородных монохроматических плоских волн удобно ввести вектор Джонса, определяемый следующим выражением:

Для перехода от комплексного представления полей к действительному, следует вос-

становить временную зависимость, умножив вектор Джонса на eiwt , и взять действительные части его компонент.

При повороте системы координат вектор Джонса преобразуется, как и любой другой вектор, с помощью матрицы поворота (6):

rr

(23)E ' = R(a)E

Рассмотрим как выражается интенсивность электромагнитной волны через вектор Джонса. В дальнейшем рассмотрении нас нигде не будет интересовать абсолютная интенсивность волны, поэтому используем следующее определение интенсивности поля, опускающее постоянный множитель:

С помощью вектора Джонса интенсивность может быть записана как

r r

(25) I = E+ E

r

где E+ - эрмитово-сопряженный вектор Джонса. Матрицей эрмитово-сопряженной данной, называется матрица, комплексно-сопряженная транспонированной матрице,

rr

Говорят, что два вектора E1 и E2 ортогональны, если они удовлетворяют условию

где крестиком (+), как и раньше, обозначены эрмитово-сопряженные величины. Эллипсы поляризации, соответствующие двум ортогональным векторам Джонса,

характеризуются равными по величине, но противоположными по знаку значениями эллиптичности, и их главные оси взаимно перпендикулярны.

rr

Если векторы E1 и E2 не только взаимно ортогональны, но и нормальны, т.е. каж-

r r

дый из них удовлетворяет условию (26), то пара векторов Джонса E1 и E2 называется ортонормальной парой векторов.

9

Любой вектор Джонса вида (22) можно представить в виде линейной комбинации двух ортогональных векторов Джонса

добным же образом компоненты x и y положительного вектора rr , принимая все возможные действительные значения, пробегают все точки плоскости в реальном пространстве. Состояния поляризации, которые соответствуют базисным векторам Джонса

r r

e1, e2 , называются базисными состояниями поляризации, для пространства векторов

Джонса.

Отметим, что базисные вектора Джонса в общем случае соответствуют ортогональным эллиптическим поляризациям. Это означает, что любое произвольное состояние поляризации может быть разложено на сумму двух эллиптических(в частных случаях линейных или круговых) состояний поляризации.

Отметим, что в базисные векторы Джонса в общем случае соответствуют ортогональным эллиптическим поляризациям. Это означает, что любое произвольное состояние поляризации может быть представлено в виде линейной комбинации двух эллиптических (в частных случаях линейных или круговых) поляризаций. Выбор того или иного базиса диктуется соображениями удобства описания взаимодействия излучения с поляризующими оптическими элементами. Так, например, если мы имеем дело с оптически активной средой, в которой при распространении света имеет место вращение плоскости поляризации, то в качестве базиса удобно выбирать так называемые круговые базисные векторы, соответствующие двум ортогональным круговым поляризациям.

В дальнейшем мы будем иметь дело только с декартовыми базисными векторами Джонса, которые соответствуют линейным базисным поляризациям.

Векторы Джонса для некоторых состояний поляризации

Приведем векторы Джонса для некоторых типичных состояний поляризации. Например, вектор Джонса

ré1 ù

(29)Ex = ê ú ë0û

описывает линейно-поляризованную волну, электрический вектор которой совершает простое гармоническое колебание вдоль оси х с единичной амплитудой(А = 1) и нулевой начальной фазой (6 = 0). Аналогично вектор Джонса

ré0ù

(30)Ey = ê ú ë1 û

описывает линейно-поляризованную волну, электрический вектор которой совершает простое гармоническое колебание вдоль оси у с единичной амплитудой и нулевой начальной фазой. Выражения (29) и (30) описывают пару ортогональных линейнополяризованных волн, каждая из которых имеет единичную интенсивность. В случае произвольной линейной поляризации волны электрический вектор колеблется вдоль направления X' в плоскости волнового фронта, причем азимутальный угол междуX' и

10

фиксированным направлением оси X равен a . Для такой волны вектор Джонса имеет вид

причем линейное колебание снова имеет нулевую начальную фазу и единичную амплитуду. Состояние линейной поляризации, ортогональное состоянию, представленному выражением (29), .получаем, производя подстановку a ® a -p / 2 :

Индекс Y' указывает на то, что линейное колебание направлено вдоль осиY', которая ортогональна оси X'. (Ортогональная пара Ex , Ey описываемая соотношениями

(29-30), очевидно, представляет собой частный случай ортогональной парыEx ' , Ey ' ,

описываемой соотношениями (31-32), соответствующий a = 0 .)

Рис. 2. Векторы Джонса для некоторых состояний поляризации.

Другая пара ортогональных волн, представляющая интерес, –– это волны с левой и правой круговой поляризацией, или лево- и правоциркулярно поляризованные волны, векторы Джонса которых имеют следующий вид:

Векторы El и Er построены из линейных колебаний вдоль координатных осей х и, у

имеющих равные амплитуды 1/ 2 и сдвинутых по фазе наp / 2 , относительно друг друга. В случае левоциркулярного состояния поляризацииy-компонента запаздывает по фазе на p / 2 относительно x-компоненты, тогда как в случае правоциркулярного состояния (y-компонента опережает x-компоненту на p / 2 ).

11