241三维空间中圆偏振光的计算机模拟.PDF

三维空间中圆偏振光的计算机模拟 胡　 林 （五邑大学　 数学物理系，广东　 江门　 ５２９０００） 　 　 线偏振光通过一块波晶片后将分解为两束频率相同、偏振化方向相互垂直、具有一定相位差 的线偏振光．两束偏振光的合成遵循垂直方向简谐振动合成的规律．不同的分振幅和相位差将形 成不同旋转方向不同形状的椭圆偏振光．特殊情况下将形成圆偏振光或线偏振光． 　 　 大学物理教学中，借助计算机程序模拟这一物理现象，能帮助学习建立直观的物理图像，提 高教学效率． 倡 　 　 课题 要求利用计算机模拟真实物理过程，通过实时计算显示物理图像，从而帮助学生更快 地建立正确的物理概念． 　 　 在大学物理多媒体辅助教学软件中，开发圆偏振光课件时（以下简称课件） ，我们遵循常见教 科书的讲解模式，先采用二维图形模式模拟圆偏振光现象．根据教材所述，“两个振动方向相互垂 直的同频率简谐振动，其合振动的轨迹一般情况下是个椭圆．其形状和旋转方向与分振动的振幅 和相位差有关．当相位差为零或π 时是一条直线，当相位差为π／２ 或３π／２ 且两分振动的振幅相 同时，是一个圆．”课件的二维动画效果截图如图 １ 所示． 论　 　坛 图１ 倡 普通高等教育“十一五” 国家级规划教材：大学物理多媒体辅助教学软件．内容包括大学物理的力学、热学、电磁学、光 学、近代物理 ５ 个部分共 ６０ 多个课件． 241　　 　 　 但要进一步讲解圆偏振光时，我们发现二维图像动画很难直观演示这一物理现象．课题组通 过讨论，决定尝试在三维空间中来模拟圆偏振光．最后将二维动画图像和三维动画图像结合起 来，很好地模拟了这一物理过程． 　 　 在三维空间中模拟的物理过程，蕴含的物理内容更加丰富，为教学提供更好的辅助．例如，课 件在演示“光矢量旋转一周，波前进一个波长．固定某一时刻，各点的矢量排在一个螺旋线上”这 一现象时，课件中三维动画截图清晰地演示了“螺旋线”（见图２） ． 图２ 　告 　 　 同时，通过旋转三维空间的坐标，当从 z 坐标轴看去时，很直观地解释磁致旋光现象：“ 迎 报　 着磁场方向看，光的振动面向左旋转的称左旋，向右旋转的称右旋．磁致旋光中光是左旋还是 右旋与光的传播方向有关．若光的传播方向与磁场方向相同，是右旋，反之，则是左旋．”（ 参 见图 ３） 　 　 课件的三维空间模拟程序，使用JAVA 语言开发，是基于 WEB 应用的 Applet 程序，能在浏 览器中运行．所有的三维空间中的数据都是实时计算并显示的，用户可以通过鼠标操作，任意角 度地放大、旋转、移动三维图像，从各角度观察物理过程．完整课件界面图如图４ 所示． 　 　 课件操作时，用户可以根据演示需要调节入射光的 x 相位、 相位，x 振幅、 振幅，以及波 y y 片厚度，模拟各种情况下的物理过程．为了方便观察，课件提供 x 轴、 轴、x＋ 轴、入射光、出射 y y 光显示选项，用户可以根据需要显示或不显示某些内容，组合出特定的图像效果．动画的控制提 242　　 供播放、暂停、重播、快照、播放速度调节操作，其中“暂停”能实时地停止在任何一个物理过程，同 时允许用户通过鼠标操作，对暂停图像进行任意角度的放大、旋转、移动，“快照”功能允许用户