文章目录

前言
一、波片与双折射晶体的简介
- 1、典型器件的琼斯矩阵示例：
- - (1).线偏振器：
  - (2).波片
- 2、双折射晶体
二、VirtualLab仿真
- 1、相移元件
- 2、双折射晶体
三、效果展示
- 1、改变偏振方向
- 2、改变方解石厚度
- 3、改变光轴方向
总结

前言

本篇为大创团队的第八篇集体作品，依然是针对物理光学的基础实验–偏振现象做出了探索和尝试。本篇介绍了剩下的实验部分（有的实验可能不是很方便做）。

一、波片与双折射晶体的简介

1、典型器件的琼斯矩阵示例：

琼斯矩阵的意义
[A2B2]=[g11g12a21a22][A1B1]\begin{bmatrix} {A_{2}}\\ {B_{2}} \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} {g_{11}}&{g_{12}}\\ {a_{21}}&{a_{22}} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} {A_{1}}\\ {B_{1}} \end{bmatrix}[A2B2]=[g11a21g12a22][A1B1]
分量形式为
{A2=g11A1+g12B1B2=g21A1+g22B1g11、g12、g21、g22一般为复常数\begin{cases} A_2=g_{11}A_1+g_{12}B_1\\ B_2=g_{21}A_1+g_{22}B_1 \end{cases} \ \ g_{11}、g_{12}、g_{21}、g_{22}一般为复常数 {A2=g11A1+g12B1B2=g21A1+g22B1 g11、g12、g21、g22一般为复常数
表示：偏振器件在偏振态转换中起着线性变换的作用。
新偏振态的两分量是原偏振态两分量的线性组合

(1).线偏振器：

对透光轴与x轴夹角进行分类讨论
1.1透光轴沿x轴
[1000]\begin{bmatrix} {1}&{0}\\ {0}&{0} \end{bmatrix}[1000]
我们从琼斯矩阵可以分析出入射光中只有x轴的光能够透过
1.2透光轴沿y轴
[0001]\begin{bmatrix} {0}&{0}\\ {0}&{1} \end{bmatrix}[0001]
归纳：透光轴与轴成θ\thetaθ角时
G=[cos2θ12sin2θ12sin2θsin2θ]G=\begin{bmatrix} {cos^2\theta}&{\frac{1}{2}sin2\theta}\\ {\frac{1}{2}sin2\theta}&{sin^2\theta} \end{bmatrix}G=[cos2θ21sin2θ21sin2θsin2θ]
1.3 14\frac{1}{4}41 波片
快轴沿x轴或y轴（加π\piπ与减π\piπ均是添加负号）
[100−1]\begin{bmatrix} {1}&{0}\\ {0}&{-1} \end{bmatrix}[100−1]
即慢轴比快轴相位滞后π\piπ
1.4 快轴与x轴夹角45°
[0110]\begin{bmatrix} {0}&{1}\\ {1}&{0} \end{bmatrix}[0110]
以下为典型偏振器件的琼斯矩阵

(2).波片

位相延迟器：使两个振动方向相互垂直的光产生位相延迟器
2.1 λ2\frac{\lambda}{2}2λ波片
线偏振光入射半波片，出射光仍为线偏振光，若入射光的线偏振光与快轴（慢轴）α\alphaα夹角，则出射光的振动方向向着快轴（慢轴）转动2α2\alpha2α
圆（椭圆）偏振光入射半波片，出射光仍为圆（椭圆）偏振光，但旋向相反。
2.2 λ4\frac{\lambda}{4}4λ波片
线偏振光入射时
若入射线偏振光振动方向与快轴或者慢轴方向一致，则出射光仍为线偏振光。
若入射线偏振光振动方向与快慢轴夹角45°，（此时沿着快慢轴分解的振幅均相同，且相位相差90°），出射光为圆偏振光。
若入射线偏振光振动方向与快慢轴夹角成其他角度，则出射光为椭圆偏振光。
圆偏振光入射时，变为线偏振光。
椭圆偏振光入射时：
若椭圆偏振光的长轴与短轴方向与波片的快慢轴方向一致时（只有正椭圆才有90°的相位差，才恰好可以借助λ4\frac{\lambda}{4}4λ波片的90°相位滞后），出射光为线偏振光。
若为其他方向，出射光仍为椭圆偏振光。

2、双折射晶体

定义：
当一束光波投射到晶体界面上，一般会产生两束折射光束，这种现象称为双折射。由于晶体材料各向异性，这两束折射光线的夹角大小与光波的传播方向以及偏振状态有关。产生双折射现象的晶体叫做双折射晶体。双折射晶体的作用类似于两个透振方向互相垂直的起偏器。
分类：
双折射晶体分为单轴晶体和双轴晶体。
单轴晶体：
单轴晶体指的是只有一个光轴的晶体。当光线穿过某些晶体时，会折射成两束光。其中一束符合一般折射定律称之为寻常光（简称o光），折射率以non_ono表示；而另一束的折射率随入射角不同而改变，称为非常光（简称e光），折射率以nen_ene表示。
一般晶体中总有一个或二个方向，当光在晶体中沿此方向传播时，不发生双折射现象，把这个方向叫做晶体的光轴方向。
只有一个光轴的称为单轴晶体，有两个光轴方向的称为双轴晶体。由晶体光轴和光线所决定的平面称为晶体的主截面。实验发现，o光和e光都是线偏振光，但它们的光矢量（一般指电场矢量E）的振动方向不同，o光的光矢量振动方向垂直于晶体的主截面，e光的光矢量振动方向平行于晶体的主截面。晶体的光轴在入射面内时，o光和e光的主截面重合，电光矢量的振动方向互相垂直。
双轴晶体:
像云母，蓝宝石等一类晶体有两个光轴方向，它们叫做双轴晶体。双轴晶体的三个主介电系数都不相等，即ϵ1≠ϵ2≠ϵ3\epsilon_1\neq\epsilon_2\neq\epsilon_3ϵ1=ϵ2=ϵ3，因而n1≠n2≠n3n_1 \neq n_2 \neq n_3n1=n2=n3。由这两个光轴构成的平面叫光轴面。

二、VirtualLab仿真

1、相移元件

首先，进行偏振相移的光路图搭建。添加一个平面波。

双击，对平面波进行设置，初始角度设为45°。

接着，添加相移器件Phase Shift。

双击对其进行设置，设为π\piπ/4即约为0.7854rad。

此处，Use Cubic Interpolation选项可以选也可以不选，不影响本次仿真的相移现象。(上一篇说到，使用7.6.1.18版本的时候这里是默认勾选的)

接着，添加两个探测器Raw Data Detector。

如下图所示，进行器件连接，光路图搭建即完成。

点击运行，与上次实验不同，本次仿真实验研究偏振的相移现象，因此点击展现相位。（平常一般也没有观察过相位图，这是头一次，当然观察光强，实部，虚部等都可以，并且很方便）

验结果如下图所示，可以看到，原来的相位为零，经过器件后相位变为0.7854，发生了相移，符合理论研究。

将平面波角度设为0°，运行结果如下。

同样的，将平面波角度设为15°，运行后，可以得到如下的结果图。

其实相移元件的使用关键在于它不会影响最后的偏振态，它只是对x和y方向都加了相同的相位延迟。

2、双折射晶体

下面进行单轴晶体的离散效应仿真。首先添加一个高斯光。

双击对其进行设置，此处设置为一个633nm的红光，并将初始的偏振角度设为45°。

接下来，添加方解石晶体，Calcite Slab（这是一个可编程元件，7.6.1.18版本中尚未找到替代方案，若有需要代码和案例请私聊交流）。

再添加两个探测器，Electromagnetic Field Detector（这是一个只能按方向去显示的探测器，也即其显示时会有多图模式，需要在ribbon左上角进行切换，查看x\y\z轴上的光场分量情况）和Camera Detector。至此，光路图搭建完成。

点击运行，使用Manipulations下的Create Numerical Data Array对获得的图像进行处理。

可以得到如下的仿真图像。

同时，同步获取到如下的最大值情况。（在ribbon中的detector下可以获得最大值最小值等，参考闪耀光栅那一节）

对于方解石，n0n_0n0=1.6557，nen_ene=1.4852(λ=633nm)，利用离散角计算公式，可以算出tanαtan\alphatanα，从而算出对应的最大值位置(e光经过双折射晶体所在的位置)约为-1.07mm。

三、效果展示

这里主要展示双折射晶体实验的效果，顺便加深各位对双折射现象的理解。

1、改变偏振方向

较为特殊地，在光源中将偏振方向设为0°（沿x轴方向，也即没有y轴的分量）。

运行后实验结果如下。

此时，右侧的光点消失。我们知道经过双折射晶体后，e光会沿x轴方向，o光会沿y轴方向，由于一开始设定的偏振方向并没有y轴的分量，因此实验最后只能看到e光，看不到o光。
将偏振角度设为90°。

运行后实验结果如下。

此时，运行结果也只有一个光点。相应地，此时只有o光，没有e光。
将偏振角度设为15°。

运行后实验结果如下。

此时，左侧光点亮度较亮，右侧光点亮度较暗，实验结果与分析相吻合。

2、改变方解石厚度

再对方解石进行参数修改，将方解石厚度改为6mm（前期实验中我们一直设置为12mm）。

运行后实验结果如下。

最大值情况如下。

通过计算公式ΔL=dtanα\Delta L=dtan\alphaΔL=dtanα，方解石厚度减半，理论上对应的最大位置也减小一半，实验测得的最大值位置约为-533.6um，与理论一致。

3、改变光轴方向

最后，将方解石的光轴进行修改。(之前实验中光轴与z轴的夹角为60°，设置中注意第一个参量为光轴同x轴夹角的cos，第二个参数为同y轴的夹角的cos，由于我们提前认为光轴在xoz平面上，这个值自然不存在，第三个参数为光轴同z轴的夹角，现在为45°，便分别设置成sin45°和cos45°)

运行后实验结果如下。

最大值情况如下。

此时，角度由原来的60°变为45°，同样地，代入公式tanα=12ne2−n02no2sin2θ+ne2cos2θsin2θtan\alpha=\frac{1}{2}\frac{n_e^2-n_0^2}{n_o^2sin^2\theta+n_e^2cos^2\theta}sin2\thetatanα=21no2sin2θ+ne2cos2θne2−n02sin2θ计算，可以得到最大值的位置，实验结果与理论值吻合。

总结

本篇由大创团队成员：唐艺恒、扶杨玉、黄一诺、李思潼、明玥共同完成。
此篇仅为偏振这一大节的剩余部分实验，这篇侧重于对双折射现象进行研究，由于笔者尚未探索发现可以用非折射元件替代方解石的办法，所以现在用的是已有的案例进行相关的研究，若有朋友发现替代操作，欢迎交流。

VirtualLab基础实验教程-7.偏振（2）相关推荐

VirtualLab基础实验教程-7.偏振（3）
文章目录前言一.会聚偏振光的干涉二.VirtualLab仿真 1.光路搭建 2.亮十字三.效果展示 1.改变入射光偏振方向 2.改变入射光波长 3.改入射光源为平面波总结前言本篇为大创团 ...
VirtualLab基础实验教程-7.偏振（1）
文章目录前言一.偏振与极化的简介 1.分类: 2.产生方法: 二.Virtualab仿真 1.搭建光路 (1)线偏光转圆偏光 (2)右旋圆偏光转左旋圆偏光 2.如果不用raw data detec ...
VirtualLab基础实验教程-2.牛顿环
目录前言一.牛顿环实验原理简介 1.现象介绍 2.公式推导 3.特点总结二.Virtualab仿真 1.搭建光路 2.通道设置 3.探测器与编辑窗的设置 4.透射型牛顿环三.7.6.1.18版 ...
VirtualLab基础实验教程-5.泊松亮斑
文章目录前言一.泊松亮斑实验原理简介 1.现象 2.半波带理论 3.公式二.Virtualab仿真 1.搭建光路 2.探测器窗口大小确定三.结果展示 1.改变圆屏半径 2.改变探测器位置 3. ...
VirtualLab基础实验教程-3.迈克尔逊干涉仪
目录前言一.迈克尔逊干涉仪实验原理简介二.Virtualab仿真 1.搭建光路 2.属性设置三.7.6.1.18版本的操作区别四.结果展示 1.等倾干涉 2.等厚干涉 3.等倾等厚结合附 ...
VirtualLab基础实验教程-1.杨氏双缝干涉
目录前言一.杨氏双缝干涉实验原理简介 1.原理推导 2.多波长叠加二.Virtualab仿真 1.光路设置 2.仿真与Parameter run 三.7.6.1.18版本的操作区别四.结果展示 ...
VirtualLab基础实验教程-4.单缝衍射
文章目录前言一.单缝衍射实验原理简介 1.衍射简介 2.半波带分析法 3.公式 4.影响衍射的因素 5.矩孔衍射 6.讨论Y轴条纹分布二.Virtualab仿真 1.搭建光路 2.探测器的关键之 ...
VirtualLab基础实验教程-8.傅里叶变换（1）
文章目录前言一.傅里叶变换是什么 1.公式变换 2.角谱函数(频谱) 3.透镜的傅里叶变换性质 4.全息二.VirtualLab仿真 1.傅里叶基础 2.全息记录 3.全息重现 4.全息再现仿真 ...
计算机硬件实验教程pdf,计算机硬件技术基础实验教程答案(重庆大学)
计算机硬件技术基础实验教程答案(重庆大学) 计算机硬件技术基础实验教程答案实验一:简单程序设计实验 (1)编写一个 32 位无符号数除法的程序,要求将存放在 NUM1 中的 32 位无符号数与存放 ...

VirtualLab基础实验教程-7.偏振（2）

文章目录

前言

一、波片与双折射晶体的简介

1、典型器件的琼斯矩阵示例：

(1).线偏振器：

(2).波片

2、双折射晶体

二、VirtualLab仿真

1、相移元件

2、双折射晶体

三、效果展示

1、改变偏振方向

2、改变方解石厚度

3、改变光轴方向

总结

VirtualLab基础实验教程-7.偏振（2）相关推荐

最新文章

热门文章