[0001] 本发明涉及物理实验装置技术领域，尤其是指一种验证电磁波偏振性的实验装置及实验系统。

[0002] 以马吕斯定律为基础验证电磁波偏振性的实验是高等学校广泛设立的物理实验之一。

[0003] 传统的验证电磁波偏振性的实验采用的是光波，并且多采用二向色性材料制成的偏振片，对光的入射角度和波长较为敏感，不利于实验的进行；同时传统的验证电磁波偏振性的实验具有难以量化的缺点，在这类实验中，难以准确度量和记录电磁波信号的偏振性质。

[0037] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

[0038] 实施例一

[0039] 参照图1‑图5所示，本发明的一种验证电磁波偏振性的实验装置，包括，[0040] 电磁波发生装置1，电磁波发生装置1用于产生微波电磁波信号；

[0041] 喇叭天线2，喇叭天线2包括发射端喇叭天线21和接收端喇叭天线22，发射端喇叭天线21和接收端喇叭天线22对向设置，且电磁波发生装置1分别连接发射端喇叭天线21和接收端喇叭天线22；

[0042] 透镜组件3，透镜组件3包括吸波板31和凸透镜32，吸波板31设置于发射端喇叭天线21和接收端喇叭天线22之间，且吸波板31上开设有通孔，凸透镜32同轴设置于通孔中；

[0043] 偏振片组件4，偏振片组件4包括转盘41和金属网栅偏振片42，转盘41设置于吸波板31与接收端喇叭天线22之间，转盘41包括相互套接并转动连接在一起的外环411和内环412，金属网栅偏振片42连接于内环412上，金属网栅偏振片42通过转盘41进行转动。

[0044] 具体的，电磁波发生装置1为矢量网络分析仪，实验过程中，矢量网络分析仪可以生成电信号并通过同轴电缆输送到发射端喇叭天线21进行发射特定电场方向的电磁波，电磁波通过透镜组件3的凸透镜32的汇聚作用形成平面波，并且吸波板31可以吸收凸透镜32以外的电磁波，保证电磁波仅从凸透镜32通过；然后电磁波经过金属网栅偏振片42后被接收端喇叭天线22接收，最终通过同轴电缆输送回矢量网络分析仪进行数据的处理。

[0045] 在上述的实验过程中，通过转盘41可以对金属网栅偏振片42的角度进行变换和控制，具体为在外环411的端面上设置标准线，并且在内环412的端面上设置刻度线(相邻的刻度线之间具有相同的夹角)，通过转动内环412就可以对金属网栅偏振片42的角度进行定量的转换和控制，从而得到多组不同角度下的数据来与马吕斯定律理论值进行对比。

[0046] 具体的，本发明的实验装置中采用的偏振片较为特殊，利用完美电导体在微波段的吸收效应，采用了金属网栅偏振片42，下面介绍金属网栅偏振片42的工作原理：

[0047] 参照图6所示，假设有两种物质，介电常数和磁导率分别为ε1、μ1和ε2、μ2，在其分界面处画一个无限薄的圆柱体，圆柱体上下表面面积为S，而且

[0048] 根据麦克斯韦方程组中电场的高斯定理积分形式，我们可以得到以下公式(1)与公式(2)

[0049]

[0050]

[0051] 其中， 为电位移矢量, 分别为无限薄的圆柱体上下表面所在位置的电位移矢量；为法线方向的单位矢量；

[0052] 分别为无限薄的圆柱体上下表面法线方向的单位矢量,Qf为区域内净电荷总量,ρf为电流密度。

[0053] 如图7所示，矩形宽度dx，宽度dy，环向正方向矢量为 假设两边的电场强度方向一样，矩形无限薄，我们可以得到如下公式(3)

[0054]

[0055] 其中， 为电场强度, 分别表示无限薄的圆柱体上下表面所在位置的电场强度； 为环向正方向矢量, 表示磁感应强度， 表示法向正方向矢量。

[0056] 当dx→0， 大小有限的时候，上面式子右边为0，因此有：

[0057]

[0058]

[0059] 其中， 分别表示无限薄的圆柱体上下表面所在位置的电场强度；et为环向正方向矢量。

[0060] 由磁场的散度方程和旋度方程积分形式可以得到公式(6)和(7)

[0061]

[0062]

[0063] 其中， 分别表示无限薄的圆柱体上下表面所在位置的磁感应强度； 表示磁场强度，H1t、H2t分别表示无限薄的圆柱体上下表面所在位置的磁场强度大小,ɑm表示电流线密度。

[0064] 因此可以总结得到公式，即在介质表面的的电磁场的四个边界条件为：

[0065]

[0066] 其中， 分别为无限薄的圆柱体上下表面所在位置的电位移矢量；分别表示无限薄的圆柱体上下表面所在位置的电场强度； 分别表示无限薄的圆
柱体上下表面所在位置的磁感应强度；H1t、H2t分别表示无限薄的圆柱体上下表面所在位置的磁场强度大小。

[0067] 由于完美电导体电导率σ→∞，金属内部存在大量的自由电子，由欧姆定律的微分形式 可以将上述公式(8)修正为以下完美电导体的四个边界条件

[0068]

[0069] 由完美电导体边界条件的第三个公式可知，完美电导体表面平行电场E∥＝0，可以阻碍平行金属方向的电磁波透射。

[0070] 如图8所示，为了验证金属网栅偏振片42的可行性，使用COMSOL Multiphysics进行理论模拟仿真，在COMSOL设置了一个限制电磁波的长方形结构，沿着X‑Z方向设置边界条件为周期性边界条件，在长方体中心区域设置一个金属网栅偏振片42，其结构由一根根金属丝组成，金属丝的直径d＝0.2mm，间距a＝1mm。一束线偏振的平面电磁波从左边端口入射，电场偏振方向与垂直方向的夹角为θ，值得注意的是，这里是改变了端口的入射偏振方向，金属偏振片是没有发生旋转的。

[0071] 改变入射电磁波的偏振方向，我们可以得到如图9的电场强度全场仿真图，当金属网栅偏振片42中的金属丝垂直方向放置时，即θ＝0°时，电磁波可以完全透过(如图9.(a))，这是因为电磁波的电矢量的方向与金属网栅偏振片42的金属丝方向垂直，电磁波就不能在金属丝中激励起电流，因此电磁波可以顺利的通过金属网栅偏振片42从而被接收器接收到。当入射电磁波的电场矢量沿着斜方向，即θ＝45°时，电场强度的分布显示了部分电磁波从偏振片透射(如图9.(b))。当入射电磁波的电场偏振矢量平行于金属线，即θ＝90°时，没有电磁波透过(如图9.(c))，这与我们的理论模型是吻合的。

[0072] 马吕斯定律的公式为I＝I0cos2θ。如图11显示了电磁波偏振装置的实验原理，从右到左依次是：电磁波的入射，电场强度大小为Ez，电场偏振沿着z方向，经过第一个金属偏振片，电磁波在θ方向的分量为Ezcos(θ)，这是第一次电场强度发生变化，透射之后的电磁波2
经过测量天线喇叭得到z方向电场强度为Ezcos (θ)，这是第二次电场强度发生变化。值得注
2
意的是，传统马吕斯定律中cos (θ)是因为得到的透射强度为电磁波的能流强度(坡印廷矢量)，而在我们的结果中，我们关注坡印廷矢量中的电场强度部分，并且通过两次改变了电
2
场强度的分量，得到了最终电场强度的马吕斯定律为E＝Ezcos(θ)。

[0073] 如图1所示，进一步的，还包括底座5，底座5水平设置，发射端喇叭天线21、接收端喇叭天线22、吸波板31和转盘41均竖直设置于底座5上。

[0074] 进一步的，发射端喇叭天线21和接收端喇叭天线22分别通过一个支柱连接于底座上。具体的，发射端喇叭天线21和接收端喇叭天线22分别通过一个连接座安装在一个支柱上，两喇叭天线在其所在的支柱上的高度可调，便于在安装本实验装置时使发射端喇叭天线21、接收端喇叭天线22和凸透镜32及金属网栅偏振片42同轴。

[0075] 如图2‑图5所示，进一步的，转盘41包括基座413，基座413水平设置于底座5上，基座413的顶部开设有第一限位槽，且基座413上垂直设置有两个相互对称的立杆414，两立杆414相对的一面上开设有与第一限位槽的位置相对应的第二限位槽，转盘嵌合于第一限位槽和第二限位槽中。具体的，转盘的外环411，外环411的宽度与第一限位槽和第二限位槽的宽度相对应，基座413通过第一限位槽在外环411的底部位置对其进行限位，同时两立杆414通过其上的第二限位槽在外环411的左右两侧对其进行限位。

[0076] 进一步的，两立杆414相互远离的一侧分别设置有一个固定座415，固定座415上均设置有与第一限位槽的位置相对应的螺栓孔，螺栓孔中均设置有螺栓，第一限位槽为T型槽，螺栓的螺帽端滑动连接于第一限位槽中，且螺栓的螺柱端拧接有螺母。具体的，固定座415通过螺栓可以沿第一限位槽进行滑动，并且固定座415在移动到预定的位置后通过拧紧螺栓上的螺母就可以对固定座415进行固定，这样，通过分别与两立杆414连接的固定座415就可以对两立杆414的位置进行调整，从而可以换用不同尺寸的外环411、内环412及金属网栅偏振片42，使本实验装置具有更好的通用性，降低使用的成本。

[0077] 进一步的，凸透镜32与发射端喇叭天线21的输出端、接收端喇叭天线22的输入端以及金属网栅偏振片42同轴。

[0078] 进一步的，金属网栅偏振片42包括底板421，底板421为圆板，底板421同轴连接于内环412上，底板421上间隔均匀地开设有多个相互平行的凹槽422，各凹槽422中均设置有沿其长度方向延伸的金属漆包线423。

[0079] 具体的，底板421采用圆形的亚克力板，在底板421的一个端面上开设有多个间隔相同且相互平行的凹槽422，且多个凹槽422组成了一个与底板本体同轴的正六边形的区域，各凹槽422中均平行设置有金属漆包线423；同时在此端面上靠近其边缘的位置设置有沿其周向间隔均匀排布的刻度线(各刻度线的延长线均通过底板421的圆心)。

[0080] 以下具体提供一种金属网栅偏振片的制备方法：

[0081] 首先用激光切割机切割亚克力板得到一块亚克力圆盘，并且在圆盘的一面上标记出一个正六边形区域；然后在上述的正六边形区域中切割多个相互平行且间隔均匀的凹槽422，并且通过亚克力胶在各凹槽422中粘接一根与其长度相匹配的金属漆包线423；最后在亚克力圆盘上刻画出刻度线。需要注意的是，凹槽422的直径需略大于金属漆包线423的直径，以留出足够用来固定金属漆包线423的空间；同时在粘接金属漆包线423时需要把线拉直，否则会对实验结果产生影响。

[0082] 具体的，提供一种采用狭缝宽度1mm(即各凹槽422的间隔为1mm),金属漆包线423的直径为0.5mm的金属网栅偏振片42进行实验，通过旋转金属网栅偏振片42到不同的角度测量透射的电场强度，可以得到如下所示的数据：

[0083] 表1实验结果

[0084]

[0085]

[0086] 上述数据显示了在每一个角度下，不同的频率对应的电磁波的透射电场强度与马2
吕斯定律cos (θ)基本吻合，为了更清晰的结果对比，我们将结果制作成如图12所示的形式，结果显示了实验结果与理论的结果完美吻合。

[0087] 以上结果表明了电磁波的偏振特性，符合马吕斯定律的理论公式。为了更加清晰的说明电磁波的偏振效应，我们对电磁波的时域谱线和频率谱线分别进行处理。

[0088] 时域信号的实验理论对比：在特定的频率8.9GHz下，选择偏振片(金属网栅偏振片42)旋转角度间隔为20°的五个偏振角度，观察实验测量的电磁波随时间变化的时域信号jwt
(Ee )结果与马吕斯定律理论值(点)拟合的对比结果如图13所示。由于波长的固定，我们将透射相位归至初相位等于0的位置进行对比。

[0089] 宽频域信号的实验理论对比：时域信号显示了电磁波形状的变化对比，频域谱线可以显示不同频率的强度对比，实验依然采用狭缝宽度a＝1mm，金属线宽度d＝0.5mm的偏振片，矢量网络分析仪给定频率范围8.4GHz‑9.4GHz，采样点为301个点，进行多旋转角度数据测量与记录。用origin进行数据分析，将实测数据点绘制成曲线与理论值曲线进行比较，2
结果如图14所示，结果显示了在cos(θ)(马吕斯定律)附近的波动，但是整体趋势与理论曲线基本吻合。

[0090] 进一步的，外环411的端面上设置有一个沿其直径方向延伸的基准线，底板421的端面上设置有多个沿其周向间隔均匀排布的刻度线，各刻度线均沿底板421的直径方向延伸。具体的，外环411上的基准线可以设置在端面上部的中间位置(即一条沿竖直方向的线)，而底板421的边缘位置设置有多个饶其周向间隔均匀排布的刻度线，且与底板421上的金属漆包线423相垂直的一条刻度线可以作为起始刻度线。

[0091] 进一步的，吸波板31采用吸波材料，通过吸波材料可以将凸透镜32以外的电磁波吸收掉，使电磁波仅从凸透镜32通过。

[0092] 实施例二

[0093] 本发明还公开了一种实验系统，包括如实施例一的验证电磁波偏振性的实验装置。

[0094] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。