VirtualLab基础实验教程-7.偏振（1）

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前言

本篇为大创团队的第七篇集体作品，针对物理光学的基础实验–偏振现象做出了探索和尝试。偏振领域容易上手操作的实验非常多，本篇仅介绍基础实验部分。

一、偏振与极化的简介

1、分类：

按照偏振特征，光波可分为自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光5种。
1.线偏振光
在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。
2. 部分偏振光
光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。
3. 椭圆偏振光
在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。迎着光线方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光，凡逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光。椭圆偏振光中的旋转电矢量是由两个频率相同、振动方向互相垂直、有固定相位差的电矢量振动合成的结果
4. 圆偏振光
旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。在我们的观察时间段中平均后，圆偏振光看上去是与自然光一样的。但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是随机的，没有规律的。

2、产生方法：

从自然光获得线偏振光的方法有以下四种：

1. 利用反射和折射。
2. 利用二向色性。
3. 利用晶体的双折射。
4. 利用散射。
   另外，线偏振光可以经过波晶片产生圆偏振光和椭圆偏振光。

二、Virtualab仿真

1、搭建光路

（1）线偏光转圆偏光

首先在新面板中拖入一个平面波

设置平面波的参数，在偏振polarization（也是首次在光源中进行极化方式的设置）中选择线偏光，并设置为45度。

其他基本参数均为默认。
此后拖入一个波片（相位延迟器），在库中找到Retarder(相位延迟器，它能使偏振光的两个互相垂直的线偏振光之间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振态)

双击设置参数，本次搭建需要将线偏光转换为圆偏光，所以在physical parameters中设置为1/4波片，其琼斯矩阵将会自动改变。

其余参数默认
此后为了比较波片前后的光我们在波片前后都放置一个Raw Data detector

双击设置参数（两个探测器同时设置）
在探测器功能Detector Function中勾选Use Cubic Interpolation，其余默认。

搭建完成后选择场追迹：

得到两幅图像后需要在窗口中点击这个椭圆箭头图标（回形针样）

即可得到下图，入射为线偏光，出射为圆偏光。


为了明确看出光都偏振方向可点击右下角图标后打开界面选择show arrows。


即可得到。出射为左旋圆偏光。（左旋为黑色，右旋为蓝色）

（2）右旋圆偏光转左旋圆偏光

若要实现将右旋圆偏光转为左旋圆偏光只需将光源和波片改变参数，在平面波的polarization中选择圆偏光。

并且设置为右旋。

除此之外需调制相位延迟器选择全波片并且设置相位延迟为-π。

再次场追迹得到，前者为初始右旋圆偏光，后者为通过半波片后的左旋圆偏光。

2、如果不用raw data detector

如果采用我们熟悉的camera detector, 同样可以想办法查看到我们最终的偏振方向。但是这里要注意，要进入谐波场的数据视图状态才可查看偏振方向。上方菜单栏中才会出现回形针样标记。

但在原来探测器探测到的场向数组状态再向谐波场转化的过程中，并没有真正保留下来偏振的信息，可以注意到在从数组状态向谐波场转化的过程中，弹出的弹窗会让你默认一个琼斯矢量。

如此便会丢失原有场的偏振信息，因此我们用raw data detector是非常必要的。

3、关于使用通用模式

可以注意到相位延迟的弧度数值设置这里，设置的是Jyy作为一个绕原点旋转的矢量的具体位置，当我们之前设置-3.1416rad时，Jyy逆时针旋转了pi个相位，从1变到-1
$$\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& -1\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(4)}$$
对应为半波片的琼斯矩阵。而设置如图1.5707rad(pi/2)时，顺时针转了90°，从1变到-i。

4、引入polarizer

我们可以用极化器实现一个对45°线极化波的获取，这时可以新拉出一个plane wave（默认线极化方向为0°）。

直接设置成45°。（这个元件生成的就是线偏光，当然可以设置各个角度的线偏光）

仿真得到结果。

我们将这两张图转化成数值模式（这里不再赘述转化方法），研究光强的变化。


可以看到光强的变化基本为$E^{\prime }=E_{0}cos\theta =E_0\ast cos45°$

三、7.6.1.18版本的操作区别

在Raw Data Detector中不用设置插值方式。

四、效果补充

我们这里的retarder默认会设置成以y轴为快轴的形式（这也是一开始我们的线偏光先设置成45°形式，如此我们在光路搭建中的实验，即为线偏光通过了一个快轴与线偏光振动方向成45°的四分之一波片）

显然，要想产生椭圆偏振光，这个角度不为45°，这里我们将这个波片旋转可以实现，注意这里也要操作波片的独立位置。我们顺时针旋转15°。

最后得到如下仿真结果。

若再旋转45°，快轴会与入射光的重合，出射线偏光。

若再旋转90°，快轴会再次与入射线偏光成45°，出射圆偏光（右旋）。

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基础部分实验，这篇侧重于对波片进行研究，后面还会进一步涉及双折射等更有趣的领域。
本篇采用市面上流通比较广的试用版和7.6.1.18版本进行实验和演示，增强了适用性。