, Volume 13, Issue 6, pp 1165-1181

Coherence properties of partially polarized electromagnetic radiation

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Summary

This paper is concerned with the analysis of partial polarization from the standpoint of coherence theory. After observing that the usual analytic definition of the Stokes parameters of a quasi-monochromatic wave are not unique, a simple experiment is analysed, which brings out clearly the observable parameters of a quasi-monochromatic light wave. The analysis leads to a unique coherency matrix and to a unique set of Stokes parameters, the latter being associated with the representation of the coherency matrix in terms of Pauli’s spin matrices. In this analysis the concept of Gabor’s analytic signal proves to be basic. The degree of coherence between the electric vibrations in any two mutually orthogonal directions of propagation of the wave depends in general on the choice of the two orthogonal directions. It is shown that its maximum value is equal to the degree of polarization of the wave. It is also shown that the degree of polarization may be determined in a new way from relatively simple experiments which involve a compensator and a polarizer, and that this determination is analogous to the determination of the degree of coherence from Young’s interference experiment.

Riassunto

In questo articolo si fa l’analisi della polarizzazione parziale dal punto di vista della teoria della coerenza. Dopo aver rilevato che la usuale definizione analitica dei parametri di Stokes per un’onda quasi monocromatica non è univoca, si prende in esame un semplice esperimento il quale introduce, in maniera chiara, i parametri osservabili per un’onda luminosa quasi monocromatica. L’analisi conduce ad un’unica matrice di coerenza e ad un unico gruppo di parametri di Stokes; quest’ultimo è associato alla rappresentazione della matrice di coerenza in funzione delle matrici di spin di Pauli. Tale analisi mostra la fondamentale importanza del concetto di segnale analitico di Gabor. Il grado di coerenza fra le vibrazioni elettriche in due direzioni qualunque, reciprocamente ortogonali, di propagazione dell’onda dipende, in generale, dalla scelta delle due direzioni ortogonali. Si dimostra che il valore massimo di esso uguaglia il grado di polarizzazione dell’onda. Si dimostra altresì che il grado di polarizzazione può essere dedotto, seguendo una via nuova, da esperimenti relativamente semplici che richiedono l’uso di un compensatore e di un polarizzatore, e che tale determinazione è analoga a quella del grado di coerenza ricavata dall’esperimento di interferenza di Young.

The research described in this paper has been partially sponsored by the Air Force Cambridge Research Center of the Air Research and Development Command, United States Air Force, through its European Office, under Contract No. AF 61(052)-169.