Polarisationszustände

Der Polarisationszustand des Lichts beschreibt, wie sein elektrischer Feldvektor ausgerichtet ist und rotiert, klassifiziert als linear, zirkulär oder elliptisch.

Definition

Eine Spezifikation der Orientierung, Elliptizität und Händigkeit, die vom elektrischen Feldvektor einer Lichtwelle beschrieben wird, zusammen mit den Formalismen, die zur Darstellung und Transformation dieser Zustände verwendet werden.

Scope

Dieses Thema behandelt die Klassifizierung und mathematische Darstellung von Polarisationszuständen. Es umfasst lineare, zirkuläre und elliptische Polarisation als Sonderfälle des allgemeinen elliptischen Zustands, die Zerlegung jedes Zustands in orthogonale Komponenten, den Jones-Vektor- und Jones-Matrix-Kalkül für vollständig polarisiertes Licht, die Stokes-Parameter und Mueller-Matrizen für teilweise polarisiertes Licht, den Polarisationsgrad und das geometrische Bild, das durch die Poincaré-Kugel bereitgestellt wird. Es etabliert die beschreibende Sprache, die in der gesamten Polarisationsoptik verwendet wird.

Core questions

• Wie hängen lineare, zirkuläre und elliptische Polarisation zusammen?
• Wie wird ein Polarisationszustand durch einen Jones-Vektor oder durch Stokes-Parameter dargestellt?
• Was ist der Polarisationsgrad und wie wird partielle Polarisation beschrieben?
• Wie visualisiert die Poincaré-Kugel Polarisationszustände?

Key concepts

• lineare Polarisation
• zirkuläre Polarisation
• elliptische Polarisation
• Jones-Vektor
• Stokes-Parameter
• Polarisationsgrad
• Poincaré-Kugel
• orthogonale Polarisationskomponenten

Key theories

Jones-Kalkül für polarisiertes Licht

Ein vollständig polarisiertes Feld wird durch einen komplexen Jones-Vektor mit zwei Komponenten und jedes Element durch eine Jones-Matrix dargestellt, sodass der Ausgangszustand durch Matrixmultiplikation gefunden wird, was eine vollständige Algebra für die kohärente Polarisationsoptik ergibt.

Stokes-Parameter und die Poincaré-Kugel

Vier reelle, messbare Stokes-Parameter beschreiben jeden Zustand einschließlich partieller Polarisation; normalisiert bilden sie die Oberfläche und das Innere der Poincaré-Kugel ab und bieten eine intuitive geometrische Darstellung.

Clinical relevance

Die Charakterisierung von Polarisationszuständen ist die Grundlage der polarisationssensitiven Bildgebung von birefringenten Geweben wie Kollagen, Muskeln und der retinalen Nervenfaserschicht, wobei Zustandsänderungen strukturelle und pathologische Informationen offenbaren.

History

Stokes führte seine vier Parameter 1852 ein, um teilweise polarisiertes Licht zu behandeln, und Poincaré gab ihnen später eine geometrische Interpretation auf der nach ihm benannten Kugel. Jones entwickelte seinen Matrixkalkül für vollständig polarisiertes Licht in einer Reihe von Arbeiten ab 1941 und vervollständigte damit die Standardformalismen.

Key figures

• George Gabriel Stokes
• Henri Poincaré
• R. Clark Jones

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen zirkulärer und linearer Polarisation?

Bei linearer Polarisation oszilliert das elektrische Feld entlang einer festen Linie, während bei zirkulärer Polarisation das Feld eine konstante Amplitude hat, sich aber stetig dreht und einen Kreis beschreibt, während sich die Welle ausbreitet; elliptische Polarisation ist der allgemeine Fall dazwischen.

Warum werden Stokes-Parameter anstelle von Jones-Vektoren verwendet?

Jones-Vektoren beschreiben nur vollständig polarisiertes, kohärentes Licht, während die Stokes-Parameter in Bezug auf messbare Intensitäten definiert sind und auch unpolarisiertes und teilweise polarisiertes Licht darstellen können.