Как я могу получить оси эллипса поляризации от вектора света Джонса?

Я анализирую состояние поляризации монохроматического когерентного источника света, для которого я знаю вектор поляризации Джонса ,

Е = ( Е Икс Е Y ) = ( | E Икс | е я φ Икс | Е Y | е я φ Y ) , Е знак равно ( Е Икс Е Y ) знак равно ( | Е Икс | е я φ Икс | Е Y | е я φ Y ) ,
и я хотел бы расширить его с точки зрения большой и малой оси эллиптичности, то есть в виде
E = e я φ ( А ты ^ + я B v ^ ) = е я φ ( A ( cos ( θ ) грех ( θ ) ) + i B ( - грех ( θ ) соз ( θ ) ) ) , Е знак равно е я φ ( U ^ + я В v ^ ) знак равно е я φ ( ( соз ( θ ) грех ( θ ) ) + я В ( - грех ( θ ) соз ( θ ) ) ) ,
или как показано графически следующим образом:

Источник изображения

Википедия предоставляет многошаговую процедуру, описывающую параметры Стокса , но я думаю, что, безусловно, есть более чистый и более прямой способ получить , В В , U ^ U ^ , v ^ v ^ , θ θ и компоненты А ты ^ U ^ и B v ^ В v ^ , от Е Икс Е Икс и Е Y Е Y и это не особенно очевидно из результатов поиска, которые я могу найти. Какой самый чистый способ сделать это?


Чтобы быть ясным: то, что я думаю, отсутствует в существующих ресурсах, и то, о чем непосредственно спрашивается вопрос, - это явный набор соединений, максимально простой, для названных параметров (все , В В , U ^ U ^ , v ^ v ^ , θ θ и компоненты А ты ^ U ^ и B v ^ В v ^ ), с точки зрения декартовых компонент Е Икс Е Икс и Е Y Е Y , Схемы, которые просто отправляют какой-то другой набор сложных манипуляций, уже доступны в Википедии и не являются тем, о чем вопрос.

Просто чтобы быть ясно, этот график, который вы проводите из Википедии, кажется, что-то вроде точек
( р ( ψ ) , д ( ψ ) ) = ( | E Икс | соз ( ψ + ϕ Икс ) ,   | Е Y | соз ( ψ + ϕ Y ) ( п ( ψ ) , Q ( ψ ) ) знак равно ( | Е Икс | соз ( ψ + φ Икс ) , | Е Y | соз ( ψ + φ Y ) ,
Что мешает предприимчивому студенту, скажем, минимизировать / максимизировать п 2 + q 2 п 2 + Q 2 найти что-то вроде (метод ректального извлечения)
загар ( 2 ψ с ) = - ( | E Икс | 2 грех ( 2 ϕ Икс ) + | Е Y | 2 грех ( 2 ϕ Y ) ) / ( | E Икс | 2 соз ( 2 ϕ Икс ) + | Е Y | 2 соз ( 2 ϕ Y ) ) загар ( 2 ψ с ) знак равно - ( | Е Икс | 2 грех ( 2 φ Икс ) + | Е Y | 2 грех ( 2 φ Y ) ) / ( | Е Икс | 2 соз ( 2 φ Икс ) + | Е Y | 2 соз ( 2 φ Y ) )
а затем дать вам кучу ответов с точки зрения ψ с ψ с ? Разве это не достаточно элегантно, чтобы иметь этот грязный арктангенс в середине?
Чтобы выразить поле в системе координат эллипса, вы должны найти собственные оси этого эллипса по вектору поляризации Джонса. Единственный способ сделать это, я знаю, это диагонализация 2 × 2 2 × 2 матрица. Матрица для диагонализации в этом процессе является матрицей плотности света. Разложение этой матрицы на матрицы Паули дает вам параметры Стокса. Итак, это не вопрос физики, а вопрос о том, как упростить вычисления, не так ли?
Может быть, вы могли бы прочитать шестую главу [в этой книге] [1]. [1]: optics.byu.edu/BYUOpticsBook_2015.pdf

Ответы (3)

Позвольте мне попробовать второй раз. Я использую https://math.stackexchange.com/questions/1204131/converting-a-rotated-ellipse-in-parametric-form-to-cartesian-form в качестве ресурса.

Предыдущие манипуляции

Физическое электрическое поле

Е че ты s = R e [ E e я ω т ] = R e [ ( | E Икс | е я φ Икс | Е Y | е я φ Y ) е я ω т ] = ( | E Икс | соз ( ω т + φ Икс ) | Е Y | соз ( ω т + φ Y ) ) = ( | E Икс | [ потому что ( ω т ) cos ( φ Икс ) - грех ( ω т ) грех ( φ Икс ) ] | Е Y | [ потому что ( ω т ) cos ( φ Y ) - грех ( ω т ) грех ( φ Y ) ] ) Е п час Y s знак равно р е [ Е е я ω T ] знак равно р е [ ( | Е Икс | е я φ Икс | Е Y | е я φ Y ) е я ω T ] знак равно ( | Е Икс | соз ( ω T + φ Икс ) | Е Y | соз ( ω T + φ Y ) ) знак равно ( | Е Икс | [ соз ( ω T ) соз ( φ Икс ) - грех ( ω T ) грех ( φ Икс ) ] | Е Y | [ соз ( ω T ) соз ( φ Y ) - грех ( ω T ) грех ( φ Y ) ] )

Это параметрическое уравнение для эллипса, который отслеживается электрическим полем.

Угол главных осей

Позволять

а = | Е Икс | соз ( φ Икс ) знак равно | Е Икс | соз ( φ Икс )

б = | Е Икс | грех ( φ Икс ) б знак равно | Е Икс | грех ( φ Икс )

с = | Е Y | соз ( φ Y ) с знак равно | Е Y | соз ( φ Y )

d = | Е Y | грех ( φ Y ) d знак равно | Е Y | грех ( φ Y )

Затем в сравнении со связанным вопросом math.SE принятый ответ гласит, что главная и малая оси указывают на эллипс (который центрирован на начале координат).

ω т = 1 2 агс 2 ( a b + c d ) ( а 2 + с 2 ) - ( б 2 + д 2 ) + k π 2 ( 0 k 3 )   , ω T знак равно 1 2 агс 2 ( б + с d ) ( 2 + с 2 ) - ( б 2 + d 2 ) + К π 2 ( 0 К 3 ) ,

Расширение требуется OP

На самом деле эта величина является углом θ θ в расширении, фигурирующем в вопросе ОП. Однако в зависимости от того, какое значение для К К может быть выбран в π / 2 - θ π / 2 - θ необходимо различать регистр в зависимости от сектора арктана.

Это, конечно, также дает U ^ U ^ и v ^ v ^ Таким образом, теперь расширение можно легко получить, спроецировав вектор Джонс на этот базис.

Формулы могут быть вместе, но представляют собой близкое решение проблемы формы вплоть до разграничения выбора случая К К , Я не понимаю, как может существовать более простое решение, поскольку формула для заданного угла не представляется алгебраически сводимой.

Извиняюсь за то, что не присудил награду, но это было довольно мало того, что я искал. Теперь я нашел чистые выражения, которые были после, и добавил их в качестве ответа.
@ EmilioPisanty не беспокойтесь, теперь я понимаю, что вы имеете в виду (см. Комментарий ниже вашего ответа).

Самый чистый способ сделать это предлагает Майкл Берри в газете

Индексные формулы для особых линий поляризации. М. В. Берри, J. Opt. A: Чистое приложение Оптик 6 , 675–678 (2004) , автор eprint .

В нотации Берри электрическое поле можно записать в виде

E = P + i Q = e я γ ( A + I B ) , Е знак равно п + я Q знак равно е я γ ( + я В ) ,
где п п , Q Q , и В В являются действительными векторами, и В В являются соответственно главной и малой осями эллипса поляризации, и эти две определены с точностью до знака A B = 0 В знак равно 0 и | A | | Б | | | | В | , В этих обозначениях оси поляризации и фаза определяются как
γ = 1 2 Arg ( E E ) и A + I B = E * E * - - - - - - | | Е * E * - - - - - - | | E , γ знак равно 1 2 Arg ( Е Е ) и + я В знак равно Е * Е * | Е * Е * | Е ,
или другими словами
A = 1 | | Е * E * - - - - - - | | R e [ E * E * - - - - - - E ] и B = 1 | | Е * E * - - - - - - | | Я м [ E * E * - - - - - - E ] , знак равно 1 | Е * Е * | р е [ Е * Е * Е ] и В знак равно 1 | Е * Е * | я м [ Е * Е * Е ] ,
Существует очевидная двусмысленность, в которой и В В и добавление π π в γ γ ничего не изменит (т. е. вращение эллипса поляризации на 180 ° эквивалентно добавлению фазы), что отражается в разрезах ветвей как аргумента, так и функций квадратного корня. Они естественным образом сцепляются друг с другом до тех пор, пока оба разреза ответвлений выполняются на одном разрезе, в идеале вдоль отрицательной реальной оси.

В качестве еще одного сложного момента следует отметить, что эти формулы не определены, когда E E = 0 Е Е знак равно 0 , что соответствует круговой поляризации; в этом случае как оси поляризации, так и фаза γ γ на большой оси плохо определены, так что это не проблема.

В качестве дополнительного бонуса этот подход также, естественно, дает направление нормали к плоскости эллипса поляризации в виде

C = 1 2 Я м ( E * × E ) = P × Q = A × B , С знак равно 1 2 я м ( Е * × Е ) знак равно п × Q знак равно × В ,
где перекрестное произведение Е * × E Е * × Е естественно мнимый, так как его сопряженный минус сам по себе. Конечно, это исчезнет, ​​если Е Е и Е * Е * (или же п п и Q Q ) линейно зависимы, что соответствует линейной поляризации; в этом случае, В В исчезнет, ​​потому что Е * E * - - - - - - Е Е * Е * Е естественно реально.

Ягодные кредиты

Поляризационные особенности в параксиальных векторных полях: морфология и статистика. МР Деннис, Опт. Commun. 213 , 201–21 (2002) , eprint .

для этой формы, и эта ссылка содержит более полное доказательство того, как и почему работает разложение.

Это, на самом деле, довольно просто, когда вы понимаете, что разложение как E = e я γ ( A + I B ) Е знак равно е я γ ( + я В ) как указано выше, должно существовать, потому что при этих условиях скалярное произведение сводится к

E E = e 2 я γ ( A + i B ) ( A + i B ) = e 2 я γ ( А 2 - Б 2 ) , Е Е знак равно е 2 я γ ( + я В ) ( + я В ) знак равно е 2 я γ ( 2 - В 2 ) ,
где 2 - Б 2 2 - В 2 реальна и позитивна, поэтому принятие аргументов обеих сторон, естественно, дает фазу 2 γ = arg ( E E ) . 2 γ знак равно Arg ( Е Е ) , Точно так же, принимая модуль этого уравнения возвращает 2 - Б 2 = | E E | 2 - В 2 знак равно | Е Е | Таким образом, мы можем просто получить фазовый фактор как
е 2 я γ = E E 2 - Б 2 = E E | E E | ,   так   е я γ = E E - - - - | E E - - - - | ,   и поэтому   е - я γ = E * E * - - - - - - | Е * E * - - - - - - | ; е 2 я γ знак равно Е Е 2 - В 2 знак равно Е Е | Е Е | , так е я γ знак равно Е Е | Е Е | , и поэтому е - я γ знак равно Е * Е * | Е * Е * | ;
характеристика для A + I B + я В затем следует из E = e я γ ( A + I B ) Е знак равно е я γ ( + я В ) просто разделив на е я γ е я γ ,

это справедливо, я вижу, как это аккуратнее. Изначально это казалось мне геометрической проблемой, поэтому я ответил довольно коротким ответом. Я также думаю, что ваше решение здесь обеспечивает больше физического понимания благодаря разумному использованию параметризации и сложных операций. Поэтому +1 от меня

Я думаю, что вы можете сделать это с помощью разложения по сингулярным числам. Я начну писать Е Е в следующей форме

E = E Икс Икс ^ + E Y Y ^ = E U U ^ + E v v ^ Е знак равно Е Икс Икс ^ + Е Y Y ^ знак равно Е U U ^ + Е v v ^

где Е Икс Е Икс и Е Y Е Y известны комплексные числа. В общем Е Икс Е * Y 0 Е Икс Е Y * 0 , но мы хотим Е U Е * v = 0 Е U Е v * знак равно 0 , Мы можем записать это в виде матрицы как

( х ^ Y ^ ) ( E Икс Е Y ) = ( ты ^ v ^ ) ( E U Е v ) ( Икс ^ Y ^ ) ( Е Икс Е Y ) знак равно ( U ^ v ^ ) ( Е U Е v )

Мы должны быть в состоянии написать

( х ^ Y ^ ) = ( ты ^ v ^ ) Λ T ( Икс ^ Y ^ ) знак равно ( U ^ v ^ ) Λ T

где Λ Λ является реальной, ортогональной матрицей, которая описывает вращение систем координат. В настоящее время неизвестно. Поскольку мы предполагаем, что Икс ^ Икс ^ и Y ^ Y ^ ортогональны, то U ^ U ^ и v ^ v ^ также будет ортогональным. И мы можем также написать

( E Икс Е Y ) = A ( 1 я ) ( Е Икс Е Y ) знак равно ( 1 я )

где А = ( а с б d ) знак равно ( б с d ) известная реальная матрица Мы можем разложить используя разложение по сингулярному значению

A = U S В T знак равно U S В T

где U U , S S , и В В являются реальными матрицами. U U и В В являются ортогональными матрицами и S = ( А 0 0 В ) S знак равно ( 0 0 В ) где и В В положительно с A B В ,

Это все дает

Λ T U S В T ( 1 я ) = ( E U Е v ) Λ T U S В T ( 1 я ) знак равно ( Е U Е v )

Если мы выберем Λ = U Λ знак равно U , который дает U ^ U ^ и v ^ v ^ , то это сводится к

S В T ( 1 я ) = ( E U Е v ) S В T ( 1 я ) знак равно ( Е U Е v )

поскольку В В является ортогональной матрицей, поэтому В T В T , и S S диагонально и реально, так Е U Е * v = 0 Е U Е v * знак равно 0 ,

Я написал это немного спеша, поэтому я мог что-то пропустить или был неточным. Я прошу прощения, если это так.