近日杂感

有言道,你叫不醒一个装睡的人。有的人在日常讨论中撒泼打诨,并不是不想讲道理,只因为讲道理并不是他们的目的。就像没有人关心小六子是一碗粉还是两碗粉,只是想让他切腹自证或是让麻子失去威信。

我们日常的观点和评论,通常是屁股决定脑袋的。实际的房价到底是涨还是跌,我们是希望它涨或者跌呢?我们能不能客观的根据事实去判断,还是由自己的情感驱动而祈祷。买了房的都希望涨,而没买房的都希望跌。

换一种说法,立场决定了判断,或许事实并无所谓有或无所谓无的,正话反话总是人说。或许这些讨论无关于唯心或者唯物主义的分别,因为这并不涉及世界的起源是物质或者意识。作为一种观点的表达更多出于立场,而讨论事实则需要基于证据。

Graham’s hierarchy of disagreement
反驳金字塔

记梦(其六)

参加军训或类似集体军事化管理活动,和教官在其他场合认识,有过节。

一日集体乘卡车外出参加射击实训,是本次实训的期终考试,前几次我未参加训练,但是只要最后的考试能够拿到满分依旧能过关。分枪支弹药,但是故意分了一些手枪子弹,导致实际用于考试步枪弹药少于其他人。

排队进入靶场,突然遇到空袭,随机启动应急预案,投放烟雾弹制造烟雾掩体,疏散人群,有序撤离。此时尚未到我射击的环节,步枪按要求交回并撤离,但是我顺手拿走了一把手枪,配合手枪子弹可以使用。

流窜进入城市综合体,解决晚餐,随身携带武器,做好隐蔽,闪转腾挪,跳窗爬墙,一路转移到小巷,随后逃跑。

记梦(其五)

入秋后,醒的尤为早,模模糊糊的记得梦的内容。

去书店买书,买了一本《邓小平时代》,板砖一样厚的简装蓝色封皮(现实中应该不存在),还有一本精装书,忘了书名,内容很少全是插图,翻看后没有买。

然后去吃面条,清汤牛肉面,碰到猴子老师,刷卡发现已欠费,猴子老师帮忙付钱,然后骑自行车去学校了。

记梦(其四)

在公共澡堂洗澡,洗了一般卡里没钱了,但是水没停,我有一个塑料大桶在接水,突然水桶从桶底裂开了。

其实每天都会做梦,但是如果醒的太晚就会忘记了做过的梦,趁着醒得早把梦记下来。

光的偏振

偏振是横波的一种性质,电磁波的偏振态通常是指电场矢量的方向。

实际生活中的光源,大多是非相干光,他们叠加后成为非偏振光随机偏振光

这里我们只讨论简单的模型,即单色平面波。

偏振的表示

假设电磁波沿z方向传播,它的数学表达式可以写作

$$ \vec{\mathbf{E}}= E_{x}\vec{\mathbf{x}} +E_{y}\vec{\mathbf{y}} $$

复数域表示为

$$ \widetilde{\mathbf{E}}= \widetilde{E_{x}}\vec{\mathbf{x}} +\widetilde{E_{y}}\vec{\mathbf{y}} $$

其中

$$ \widetilde{E_{x}} = E_{0x}e^{i(kz-\omega t+\varphi _{x})} $$

$$ \widetilde{E_{y}} = E_{0y}e^{i(kz-\omega t+\varphi _{y})} $$

所以电场在复数域的表示可以写为

$$ \widetilde{\mathbf{E}} = \left [ E_{0x}e^{i\varphi _{x}} \vec{\mathbf{x}} + E_{0y}e^{i\varphi _{y}} \vec{\mathbf{y}} \right ]e^{i(kz-\omega t)} = \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} e^{i(kz-\omega t)} $$

因为偏振态完全由电场分量的相对强度和相位决定,根据 \( \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} \)就可以完全确定光的偏振态,其矩阵形式称为琼斯矢量(Jones vector)

\begin{equation} \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} = \begin{bmatrix} E_{0x}e^{i\varphi_{x}} \\ E_{0y}e^{i\varphi _{y}} \end{bmatrix} \end{equation}

琼斯矢量无法表示 非偏振光随机偏振光

线偏振光

任意\( \alpha\)的线偏光,相对相位差为0π,可以让\( \varphi_{x} =\varphi_{y} = 0\)

\begin{equation} \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} = \begin{bmatrix} Acos\left ( \alpha \right ) \\ Asin\left ( \alpha \right ) \end{bmatrix} \end{equation}

为了使 \( \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} \) 归一化,此处 A = 1

假设 \( \varphi_{x} = 0 \),\( \varphi_{y} = \varepsilon \) ,定义相位差 \( \Delta \varphi = \varphi_{y} – \varphi_{x} = \varepsilon \)

当相位差为\( +\pi /2 \)时,为左旋光(left-circularly polarized,LCP),电场矢量的箭头逆时针旋转

\begin{equation} \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} = \begin{bmatrix} Acos\left ( \alpha \right ) \\ Asin\left ( \alpha \right ) \end{bmatrix} =\begin{bmatrix} A \\ A e^{i\pi /2} \end{bmatrix} =A\begin{bmatrix} 1 \\ i \end{bmatrix} \end{equation}

此处\( A =\frac{1}{\sqrt{2}} \)

当相位差为\( -\pi /2 \)时,为右旋光(right-circularly polarized,RCP) ,电场矢量的箭头顺时针旋转

\begin{equation} \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{bmatrix} 1 \\ -i \end{bmatrix} \end{equation}

圆偏振光

更加一般的形式

顺时针

\begin{equation} \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} = \begin{bmatrix} A \\iB \end{bmatrix} \end{equation}

逆时针

\begin{equation} \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} = \begin{bmatrix} A \\-iB \end{bmatrix} \end{equation}

椭圆偏振光

顺时针

\begin{equation} \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} = \begin{bmatrix} A \\ B+iC \end{bmatrix} \end{equation}

逆时针

\begin{equation} \widetilde{ \mathbf {E_{0}}} = \begin{bmatrix} A \\ B-iC \end{bmatrix} \end{equation}

更加一般的形式的描述,椭圆方程

\begin{equation} \frac{ \widetilde{ E_{x}}^{2}} {E_{0x}^{2}} + \frac{ \widetilde{ E_{y}}^{2}} {E_{0y}^{2}} – \frac{ 2\widetilde{ E_{x}}\widetilde{ E_{y}}} {E_{0x}E_{0y}} cos\varepsilon = sin^{2}\varepsilon \end{equation}

椭圆的参数可由方向角(orientation angle)\( \psi\left ( 0 \leq \psi \leq \pi \right ) \)和椭圆度角表示(ellipticity angle) \( \chi \left ( -\pi/4 \leq \chi \leq \pi/4 \right ) \)

引入辅助角(auxiliary angle)

$$ tan\alpha = \frac{E_{0y}}{E_{0x}}, 0 \leq \alpha \leq \pi/2 $$

所以

\begin{equation} tan2\psi = \left ( tan2\alpha \right )cos\varepsilon \\ sin2\chi = \left ( sin2\alpha \right )sin\varepsilon \end{equation}

引入庞加莱球(Poincare sphere)

\begin{equation} \begin{aligned} x &= cos(2\chi)cos(2\psi ) , 0 \leq \psi \leq \pi \\ y &= cos(2\chi)sin(2\psi) , -\pi/4 \leq \chi \leq \pi/4 \\ z &= sin2\chi \\ 1 &= x^{2}+y^{2}+z^{2} \end{aligned} \end{equation}

琼斯矩阵

光学元件可以改变透射光的偏振态,用琼斯矩阵表示光学元件对透射光偏振态的改变。

偏振器

只透过某一线偏振态的光,下面的矩阵表示,只透过\(\vec{x}\)方向的分量

\begin{equation} \mathbf{M} = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} \end{equation}

相位延迟器

使电场分量的相位分别延迟\( \varepsilon _{x}\) 和 \( \varepsilon _{y}\)

\begin{equation} E_{0x}e^{i\varphi_{x}} \rightarrow E_{0x}e^{i(\varphi_{x}+\varepsilon _{x})} \\ E_{0y}e^{i\varphi _{y}} \rightarrow E_{0y}e^{i(\varphi_{y}+\varepsilon _{y})} \end{equation}

写成矩阵形式

\begin{equation} \begin{bmatrix} e^{i\varepsilon_{x}} & 0 \\ 0 & e^{i\varepsilon_{y}} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} E_{0x}e^{i\varphi_{x}} \\ E_{0y}e^{i\varphi_{y}} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} E_{0x}e^{i(\varphi_{x}+\varepsilon_{x})} \\ E_{0y}e^{i(\varphi_{y}+\varepsilon_{y})} \end{bmatrix} \end{equation}

所以普适的相位延迟器的琼斯矩阵为

\begin{equation} \mathbf{M} = \begin{bmatrix} e^{i\varepsilon_{x}} & 0 \\ 0 & e^{i\varepsilon_{y}} \end{bmatrix} \end{equation}

四分之一波片

quarter-wave plate (QWP) 满足\( \left | \varepsilon_{x} – \varepsilon_{y} \right | = \pi/2 \)

慢轴垂直时 \( \varepsilon_{x} – \varepsilon_{y} = -\pi/2 \)

\begin{equation} \mathbf{M} = \begin{bmatrix} e^{-i\pi/4} & 0 \\ 0 & e^{i\pi/4} \end{bmatrix} = e^{-i\pi/4}\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & i \end{bmatrix} \end{equation}

慢轴水平时\( \varepsilon_{x} – \varepsilon_{y} = \pi/2\)

\begin{equation} \mathbf{M} = \begin{bmatrix} e^{i\pi/4} & 0 \\ 0 & e^{-i\pi/4} \end{bmatrix} = e^{i\pi/4}\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -i \end{bmatrix} \end{equation}

二分之一波片

half-wave plate (HWP) 满足\( \left | \varepsilon_{x} – \varepsilon_{y} \right | = \pi \)

同理

慢轴垂直时 \( \varepsilon_{x} – \varepsilon_{y} = -\pi \)

\begin{equation} \mathbf{M} = \begin{bmatrix} e^{-i\pi/2} & 0 \\ 0 & e^{i\pi/2} \end{bmatrix} = e^{-i\pi/2}\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{bmatrix} \end{equation}

慢轴水平时\( \varepsilon_{x} – \varepsilon_{y} = \pi \)

\begin{equation} \mathbf{M} = \begin{bmatrix} e^{i\pi/2} & 0 \\ 0 & e^{-i\pi/2} \end{bmatrix} = e^{i\pi/2}\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{bmatrix} \end{equation}

旋转

将某一角度 \(\theta\) 的线偏振光旋转 \( \beta \) 角度

\( \theta \rightarrow \left ( \theta+ \beta \right ) \)

\begin{equation} \mathbf{R}(\beta) = \begin{bmatrix} cos\beta & -sin\beta \\ sin\beta & cos\beta \end{bmatrix} \end{equation}

旋转矩阵的性质\( \mathbf{R}\mathbf{R}^{-1} = \mathbf{R}\mathbf{R}^{T} = \mathbf{I} = \mathbf{R}(\beta)\mathbf{R}(-\beta) \)

若将光学元件旋转 \( \beta \) 角度

$$ \mathbf{M}(\beta) = \mathbf{R}(\beta) \mathbf{M} \mathbf{R}(-\beta) $$

斯托克斯参数

$$ S_{0}^{2} = S_{1}^{2} +S_{2}^{2} +S_{3}^{2} $$

\begin{equation} S = \begin{pmatrix} S_{0}\\ S_{1}\\ S_{2}\\ S_{3} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} E_{0x}^{2} + E_{0y}^{2}\\ E_{0x}^{2} – E_{0y}^{2}\\ 2E_{0x}E_{0y}cos\varepsilon \\ 2E_{0x}E_{0y}sin\varepsilon \end{pmatrix} \end{equation}

其中\( \varphi_{y} – \varphi_{x} = \varepsilon \)

考虑到一般椭圆偏振的情况, 实用椭圆参数,也可以写为

\begin{equation} S = \begin{pmatrix} S_{0}\\ S_{1}\\ S_{2}\\ S_{3} \end{pmatrix} = S_{0}\begin{pmatrix} 1\\ cos(2\chi)cos(2\psi )\\ cos(2\chi)sin(2\psi )\\ sin(2\chi ) \end{pmatrix} \end{equation}

斯托克斯分量可以表示偏振光,也可以表示部分偏振光或随机偏振光

定义偏振度P(degree of polarization ,DOP)

\begin{equation} S = \begin{pmatrix} S_{0}\\ S_{1}\\ S_{2}\\ S_{3} \end{pmatrix} = \left ( 1- \mathbf{\mathit{P}} \right ) \begin{pmatrix} S_{0}\\ 0\\ 0\\ 0 \end{pmatrix} + \mathbf{\mathit{P}} \begin{pmatrix} S_{0}\\ S_{1}\\ S_{2}\\ S_{3} \end{pmatrix}, 0 \leq \mathbf{\mathit{P}} \leq 1 \end{equation}

偏振度P可由下列公式计算

$$ \mathbf{\mathit{P}} = \frac{I_{pol}}{I_{tot}} = \frac{\sqrt{S_{1}^{2}+S_{2}^{2}+S_{3}^{2}}}{S_{0}} $$

参考文献

  1. Pedrotti, F. L., Pedrotti, L. M. & Pedrotti, L. S. Introduction to optics. (Pearson/Prentice Hall, 2007).
  2. Collett, E. Field guide to polarization. (SPIE Press, 2005).
  3. https://spie.org/publications/fg05_p57-61_jones_matrix_calculus
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Jones_calculus
  5. http://electron9.phys.utk.edu/optics421/modules/m7/Jones.htm

记梦(其三)

昨天做了一个梦,去游泳,游泳馆人不多,真好有一条泳道空了出来。因为不会换气,我就一口气闷着游,在边界上换气,再来一个来回。游了好久,最后走的时候和老板约好下次再来。

杂感其一

幸福的家庭都是相同的,不幸的家庭各有各的不幸。

草莓前辈谈起:“常常看到小孩一路疯跑,不知道他们在笑什么,但他们就很开心”

我们小时候的开心就很单纯,也不知道在开心什么,感觉无忧无虑,但是现在就很少有这种状态了。

均值、方差和均方值

对于离散信号(噪声) \( x(i) \)

均值

\( \mu_{x} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}x(i) \) ,对于电压或电流型随机噪声,均值 μ表示其直流分量

方差

\( \sigma_{x}^{2} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}[x(i)-\mu _{x}]^{2} \),方差反应随机噪声的起伏程度

均方值

\( \overline{x^{2}} \) 表示随机噪声瞬时取值的平方的数学期望值

\( \overline{x^{2}} \)的平方根是随机噪声的有效值 (root mean square,RMS)

\( \overline{x^{2}} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}x(i)^{2} \)

\( RMS = \sqrt{ \overline{x^{2}} } = \sqrt{\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}x(i)^{2}} \)

均值、方差和均方值之间的关系

\( \overline{x^{2}} = \mu_{x}^{2} + \sigma_{x}^{2} \)

可以看作总体功率=直流功率+交流功率

推导参考期望和方差的联系

\begin{equation} \begin{aligned} D[X]&=E[X-E[X]]^2 \\ &=E[X^2-2X\cdot E[X]+[E[X]]^2]\\ &=E[X^2]-E[2X\cdot E[X]]+[E[X]]^2\\ &=E[X^2]-2E[X]\cdot E[X]+[E[X]]^2\\ &=E[X^2]-[E[X]]^2\\ \end{aligned} \end{equation}

Labview实践(一)

作为电子的本科生,使用编程控制软硬件是基础的实践之一,最近因为课题组需要,使用labview编程实现了自动化的偏振测试。回顾一下其中设计的知识点。

硬件是Thorlabs ELL14K旋转安装座套件,用来安装波片或偏振片。有自带GUI的Elliptec系统软件。使用标准串口通信协议,所以直接在VISA资源中配置了串口并调用,参考protocol manual实现归零、方向、步长设置、单步转动等操作。

坐标(角度)采用32位2进制补码,使用DBL精度。最高位为0,为正数,正数的原码=补码;最高位为1,为负数,补码与2^32(=4294967296)相减得到原码。

然后和原有测试系统软件整合,ELL14K和SR830联合编程,使用事件发生(Occurence)技术进行同步。SR830参考了官方驱动,设置时间常数、滤波器、灵敏度和输出选项(XYRθ)等。

采用事件驱动结构(Event Structure),对设置、动作进行判断。

五月雨

五月雨(さみだれ),意思是阴历五月开始的梅雨。

最近天气连绵阴雨,偶见阳光普照,在晴和雨的交替中,天气却越发的感觉凉。

今天是阴历四月十二,小满节气也过,心情反复,想到了火影中的这首配乐。

第一次出现大概是在疾风传自来也之死,虽然是虚拟的人物,但是死亡是真实的。

网络空间流传着名人的讣告,吊唁,死亡对于人类是真实的。

经历了身边的死亡,看见过远处的死亡,那是一个必定到来的结局。

珍惜在那之前的时光。