任意椭圆偏振射电波起偏检偏和偏振度测量的装置技术

摘要

本发明的名称为任意椭圆偏振射电波起偏检偏和偏振度测量的装置技术，主要应用于实验教学领域，具体而言是大学物理实验、微波实验和中学物理演示实验。在现有的实验教学中，光学实验通常是以可见光作为光源进行实验，以射电波作为光源的实验很少。且由于波片是成品，因此可见光很难实现任意偏振度的椭圆偏振，并且没有测量偏振度的实验。本装置创新地用射电波为光源，自制的栅网作为起偏器和检偏器，然后改变两光源位置再通过偏振光在半波振子处叠加实现任意椭圆偏振，并且通过旋转半波振子天线进行偏振度的测量。本装置及方法能够很好的运用到今后大学物理的相关实验之中。

说明书

技术领域

本装置技术应用于实验教学领域，具体而言大学物理实验、微波实验和中学物理演示实验。

技术背景

在现有的实验教学中，光学实验通常是以可见光作为光源进行实验，以射电波作为光源的实验很少。可见光可以用偏振片起偏检偏，用波片得到圆偏振或椭圆偏振。由于波片是成品，因此可见光很难实现任意偏振度的椭圆偏振，并且没有测量偏振度的实验。

鉴于上述情况，本工作研制了以射电波为光源的任意椭圆偏振射电波的起偏和检偏装置，设计并实现了对椭圆偏振射电波的偏振度测量实验。该装置与实验有力促进了实验教学的创新和改革。

发明内容

本装置用金属栅网对射频电磁波起偏得到椭圆偏振的射电波，利用半波振子天线测量偏振度。该装置可以得到任意椭圆偏振度的射电波，利用该装置进行的偏振度测量实验充实了实验教学，并且是国际首创的创新实验。具体的实验原理与技术方法如下所述。

在垂直于射电波传播方向设置一个由平行等间距金属丝构成的平面栅网可以对射电波起偏，从而得到线偏振的射电波。两个相位差恒定、偏振方向互相垂直的线偏振射电波波的合成可以得到椭圆偏振的射电波。

本装置制备了双矩形金属栅网，它由两个尺寸相同的正方形金属栅网并排连接而成。两个金属栅网由平行等间距的金属丝构成，并且金属丝排列方向互相垂直，从而构成了两个透振方向互相垂直的射电波起偏栅网。

由高频信号源输出某频率的射电波信号，经过功率放大器放大射电波信号，与同一个功率放大器相连的两个平板天线分别置于两个透振方向互相垂直的正方形栅网前。由于两个平板天线输出的射电波是等相位的，因此分别经过这两个正方形栅网后，就得到了偏振方向互相垂直的两路线偏振射电波。

在两路线偏振射电波传播方向的交汇区域相干叠加就产生了椭圆偏的振射电波，其原理如下：

其中λ为波长，a和b分别为两路信号的幅值，Δ为两列波的光程差。通过前后移动平板天线来改变两个平板天线之间的相对距离，从而就改变了Δ，这样就可以产生不同试样的椭圆偏振。当天线间距连续变化时，Δ随之连续变化，距离改变一个波长时，相位变化2π，故可生成2π区间内任意相位差的频率比为1：1的利萨如图形。

因此，固定一个平板天线，移动另一个平板天线，移动距离在一个波长变化时就相应地产生任意椭圆偏振度的射电波。

若天线间距为某一固定长度，所产生的射电波的椭圆偏振性态可由半波振子天线进行测量。此即偏振度测量实验。

半波振子天线作为接收天线探测该点的电磁波电场信号，利用包络检波器将半波振子天线信号引出转换成直流电压信号，并由低频功率放大器进一步放大该直流电压信号，该电压表征了电场的强弱。

如果在垂直于光路的椭圆偏振平面内旋转半波振子天线，则信号最大值为椭圆长轴方向，最小值为短轴方向。特别是如果信号强度不变，则表明是圆偏振射电波；如果出现了消光现象，则为线偏振。

旋转半波振子天线，椭圆半长轴与半短轴的指向和信号强度揭示了偏振度。在半波振子天线背后附加上一个360度刻度盘，这样就可以记录极大值极小值信号的位置。偏振度为ε的沿z方向传播的椭圆偏振电磁波的电场可用参数方程可表示为

根据半波振子天线测得的半长轴与半短轴的比值即可得到偏振度ε。

附图说明

图1为椭圆偏振射电波的起偏检偏于偏振度测量实验装置结构图，其中：

A、信号源，电磁波信号通过A发出。

B、功率放大器，功率放大器连接信号源与平板天线，作用是将信号源的强度放大，再通过平板天线发射出去。

C、带标尺的滑轨，能够移动放在上面的平板天线，来改变两光源的相对距离。

D、平板天线1，用以发射电磁波信号。

E、平板天线2，用以发射电磁波信号。

F、水平方向偏振射电波，是由平板天线发射的电磁波经由竖直栅网过滤而来。

G、竖直方向偏振射电波，是由平板天线发射的电磁波经由水平栅网过滤而来。

H、半波振子天线，用以接收偏振波。

I、包络检波器，用以将半波振子天线接收到的光信号转化成电信号。

J、单片机模块，编程烧录之后的单片机能够将包络检波器转化的信号进行数字化显示。

图2是双矩形金属栅网，它是图1中的栅网，其中：

A、水平起偏栅网，用来过滤发射波，进行偏振光的获取，获取的偏振光的偏振方向是垂直于栅网的。

B、竖直起偏栅网，用来过滤发射波，进行偏振光的获取，获取的偏振光的偏振方向是垂直于栅网的。

图3是附加刻度盘的半波振子天线，它是图1中的半波振子天线，其中：

A、360度刻度盘，用来显示和记录半波振子天线位置。

B、半波振子天线，半波振子天线，用以接收偏振波。

具体实施方式

一、任意椭圆偏振射电波的起偏和检偏

参见图1，图1中功率放大器对信号源输出的射电波信号进行放大，平板天线1和平板天线2连接同一功率放大器，因此两个平板天线输出的射电波是等相位的。经过透振方向互相垂直的两个金属栅网后就得到两路偏振方向互相垂直的线偏振射电波。于是在传播方向的交汇区就产生了椭圆偏振的射电波。半波振子天线可以探测该点的电场，包络检波器将半波振子天线信号引出转换成直流电压信号，并由低频功放进一步放大该直流电压信号，该电压表征了电场的强弱。在带标尺的滑轨上沿着射电波传播方向前后移动平板天线，就改变了两路线偏振射电波到达半波振子天线的光程差，从而改变了椭圆偏振射电波的偏振度。移动距离在一个波长变化时就相应地产生任意椭圆偏振度的射电波。

如果在垂直于光路的椭圆偏振平面内旋转半波振子天线，则信号最大值为椭圆长轴方向，最小值为短轴方向。特别是如果信号强度不变，则表明是圆偏振射电波；如果出现了消光现象，则为线偏振。这就实现了椭圆偏振射电波的检偏。

二、任意椭圆偏振射电波的偏振度测量实验

参见图3，旋转半波振子天线时可通过刻度盘记录角度方位，同时记录低频功放电路显示的电压信号。在本装置中该低频功率放大器由51单片机实现。旋转半波振子天线一周，记录多个位置的角度值和电压值。电压值正比于电场强度，电压的最大值正比于椭圆的半长轴，最小值正比于半短轴。半长轴与半短轴的比值关系就决定了椭圆偏振度，半长轴和半短轴的角度就确定了椭圆的倾角。