偏振光虚拟实验

转动检偏器,观察波片作用,比较马吕斯定律与布儒斯特反射。

图 1 偏振分析光路与波片后的电场轨迹

图 2 透射光电流随检偏器转角变化

布儒斯特反射

图 3 空气至玻璃界面的反射率;实线为 s,虚线为 p

n=1.50是非吸收玻璃教学参数,未指定实际玻璃牌号及色散。转动入射角寻找 p 反射率最低处,记录布儒斯特角。

记录与马吕斯拟合

表 1 虚拟操作记录(0 组)

身份类型角度 / °电流 / mA$R_s$$R_p$操作

拟合仅使用同参数且未插入波片的透射记录,采用 $I=A\cos^2\theta+B$。波片后一般是椭圆偏振,不能套用单一马吕斯关系。记录自动保存在当前浏览器。

与原报告观测对照

表 2 原报告检偏器转角与光电流

$\theta/{}^\circ$$I/\mathrm{mA}$

表 3 原报告布儒斯特角

次数原角度记录十进制度 / °

原报告波片插入后没有定量状态记录,网页偏振轨迹是独立教学模型。布儒斯特角重复性传播分量不包含零点、仪器或表面误差。

模型依据

输入为沿横向的单位线偏振 Jones 向量。理想无损延迟片、理想线性检偏器及独立恒定背景构成透射模型;反射采用空气至均匀各向同性非吸收介质的平面界面。

$$\mathbf E_{\rm out}=\mathcal R(\varphi)\begin{pmatrix}1&0\\0&e^{i\delta}\end{pmatrix}\mathcal R(-\varphi)\binom10,\quad I=A|\mathbf a(\theta)^T\mathbf E_{\rm out}|^2+B.$$
$$\sin\beta=\frac{\sin\alpha}{n},\quad R_s=\left(\frac{\cos\alpha-n\cos\beta}{\cos\alpha+n\cos\beta}\right)^2,\quad R_p=\left(\frac{n\cos\alpha-\cos\beta}{n\cos\alpha+\cos\beta}\right)^2,\quad\alpha_B=\arctan n.$$

开放A=0.1–2mA、B=0–0.1mA、快轴0–90°、检偏器0–180°、n=1.2–1.8、入射角0–85°;波片延迟仅取0或π/2。折射率范围是理想介质模型域,未包含光谱色散或吸收。

模型、参数与独立验证

参考资料

时俊仙等. 光的偏振实验教学的拓展研究. 实验室科学,2024,27(4):46–50. DOI。第47–48页为马吕斯与波片关系。毛红敏等. 光的偏振和反射理论的综合实验设计. 物理实验,2015,35(6):29–31,34. DOI。第29页式(1)–(4)为s/p反射系数。