CN209015534U - 一种庞加莱球仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种庞加莱球仪，涉及一种偏振光学的教学仪器。所述庞加莱球仪包括底座，支撑杆，固定架，球体，指示杆和指示小片；所述球体表面标有经线和纬线的刻度，并标示出H,V,R,L,+45°，‑45°6个特征点，用于标示光的偏振态；所述指示杆附着于球体表面，可调长度、方向与位置，用于指示双折射矢量的方向和大小；所述指示小片附着于球体表面并可移动，用于指示偏振态的变化；所述固定架设有转轴，用于连接所述球体使其转动。本实用新型将虚拟的庞加莱球具体地表现在客观实体上，利于观察和理解；设置指示小片和指示杆，显著地标明物理量的状态和相对关系，清晰明了；球体可以围绕转轴进行一维或多维的转动，便于观察。

Description

一种庞加莱球仪

技术领域

本实用新型涉及一种偏振光学的教学仪器，尤其涉及到关于演示偏振态变化的庞加莱球仪。

背景技术

偏振态是描述光的基本参数之一，当偏振光通过一个光学系统时，其输出偏振光也会发生变化。表征偏振态的参数非常多，包括偏振椭圆、复矢量、斯托克斯参数以及庞加莱球。由于人眼不能识别光的偏振态，因此，学生很难理解偏振态变化的概念。

庞加莱球(Poincare Sphere)是由法国人提出的用以描述偏振态的虚拟球体(在现实中并不存在)，它是一个建立在3坐标系的一个球体，其3个坐标(s₁,s₂,s₃)分别为

式中，表示光的电场强度在x,y两个方向的分量，包括大小和相位。不难计算出，因此，用3坐标(s₁,s₂,s₃)所描述的点始终处于一个半径为1的球上。这个球就被称为庞加莱球。

另一方面，当偏振光经过一个光学系统时，其输出偏振态(即对应的(s₁,s₂,s₃)点)的变化，总会绕着一个轴旋转，其旋转轴的方向称为双折射主轴，旋转的角度取决双折射的大小。这个具有大小和方向的量，称为双折射矢量。

因为庞加莱球在现实中并不存在，是一个想象中的虚拟球，因此当同学们学习到相关内容时，感觉非常困难。更困难的是，同学们无法想象出由于双折射矢量的存在而导致的偏振态在庞加莱球上的变化。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：

为了解决同学们对庞加莱球的理解困难问题，形象的看到偏振态在庞加莱球上绕着双折射矢量的移动，本实用新型提出了一种庞加莱球仪。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本实用新型提出了一种庞加莱球仪，包括底座，支撑杆，固定架，球体，指示杆和指示小片；

所述球体表面标有经线和纬线的刻度，并标示出特征点，用于配合所述指示杆和指示小片，标示双折射矢量和光的偏振态；

所述固定架设有第一转轴和第二转轴，分别与球体上两个沿直径相对的点连接，用于使所述球体能够以所述直径所在直线为轴转动；所述支撑杆一端连接所述固定架，另一端连接底座；

所述指示小片附着于球体表面，用于指示一个偏振态，并可在球体表面移动，指示偏振态的变化；

所述指示杆附着于球体表面，可调长度、方向与位置，用于指示一个双折射矢量的方向和大小。

如前所述的一种庞加莱球仪，进一步地，所述特征点包括：H点，位于赤道与0°经线的交点；V点，位于赤道与180°经线的交点；+45°点，位于赤道与90°经线的交点；-45°点，位于赤道与270°经线的交点；R点，位于北极；L点，位于南极。

如前所述的一种庞加莱球仪，进一步地，所述指示杆由多节中空杆状结构嵌套组成。

如前所述的一种庞加莱球仪，进一步地，所述指示小片为一个或多个。

如前所述的一种庞加莱球仪，进一步地，所述固定架为半圆形或者圆形的支架，两个转轴分别设置在半圆形支架的两端或圆形支架一条轴线的两端。

如前所述的一种庞加莱球仪，进一步地，所述固定架由一个半圆形的支架和一个圆形支架轨道两部分组成，所述两个转轴设置在该圆形支架轨道直径的两端，用于连接所述球体的南极和北极；所述半圆形的支架两端设置有两个转轴，每个转轴上连接一个卡扣，所述卡扣用于固定所述圆形支架轨道，使所述圆形支架轨道能够实现自由滑动与转动。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.将虚拟的庞加莱球具体地表现在客观实体上，利于观察和理解；

2.设置指示小片和指示杆，显著地标明所述偏振状态和双折射矢量，清晰明了；

3.球体可以围绕转轴进行一维或多维的转动，便于观察。

附图说明

图1是实施例一提出的一种一维旋转庞加莱球仪的结构示意图；图1的图示如下：1-球体，2-指示杆，3-指示小片，4-半圆形的支架，5-支撑杆，6-底座。

图2是实施例二提供的一种二维旋转庞加莱球仪的结构示意图；图2的图示如下：1-庞加莱球体，2-指示杆，3-指示小片，4-半圆形的支架，5-支撑杆，6-底座，7-圆形支架轨道。

图3是庞加莱球球上各点与偏振态的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例一

图1为本实用新型的一种庞加莱球仪的结构示意图。

图1中，球体1表面上绘制有经线、包括赤道的纬线和南北极，并标示出H,V,R,L,+45°，-45°等6个特征点。其中H点位于赤道与0°经线的交点，V点位于赤道与180°经线的交点，+45°点位于赤道与90°经线的交点，-45°点位于赤道与270°经线的交点，R点位于北极，L点位于南极；并在所述的球体表面上经线和纬线的每一个交点处，标示出该对应的偏振椭圆以及旋向。

图1中，指示杆2是可改变长度的细杆，用以表示双折射矢量的方向和大小，它通过一定的方式附着在所述球体的表面，并可根据教学需要改变其附着的位置。指示小片3是一个红色的或者醒目颜色的规则形状的小片，用来表示当前的偏振态，可以在球面上自由移动，并通过一定的方式附着在球面上。本实施例中，固定架4为一个半圆形的支架，它的作用是将庞加莱球体固定在它的上面，并可以使球体在转轴所在的维度上旋转。支撑杆5起支撑作用。底座6是一个有一定配重的底盘，以便庞加莱球仪平稳地放在桌子上，便于教学。

实施例二

图2为本实用新型的一种可二维旋转的庞加莱球仪的结构示意图。

图2与图1相比，增加了一个圆形支架轨道7，两个转轴设置在该圆形支架轨道直径的两端，用于连接所述球体；所述半圆形的支架两端设置有两个转轴，每个转轴上连接一个卡扣，所述卡扣用于固定所述圆形支架轨道，使所述圆形支架轨道能够实现自由滑动与转动，实现庞加莱球体的二维旋转。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种庞加莱球仪，其特征在于，包括底座，支撑杆，固定架，球体，指示杆和指示小片；

所述球体表面标有经线和纬线的刻度，以及用于标示光的偏振态的特征点；

所述固定架设有第一转轴和第二转轴，分别与球体上两个沿直径相对的点连接，用于使所述球体能够以所述直径所在直线为轴转动；所述支撑杆一端连接所述固定架，另一端连接底座；

所述指示小片附着于球体表面并可移动，用于指示偏振态的变化；

所述指示杆附着于球体表面，可调长度、方向与位置，用于指示一个双折射矢量的方向和大小。

2.如权利要求1所述的一种庞加莱球仪，其特征在于，所述特征点包括：H点，位于赤道与0°经线的交点；V点，位于赤道与180°经线的交点；+45°点，位于赤道与90°经线的交点；-45°点，位于赤道与270°经线的交点；R点，位于北极；L点，位于南极。

3.如权利要求1所述的一种庞加莱球仪，其特征在于，所述指示杆由多节中空杆状结构嵌套组成。

4.如权利要求1所述的一种庞加莱球仪，其特征在于，所述指示小片为一个或多个。

5.如权利要求1所述的一种庞加莱球仪，其特征在于，所述固定架为半圆形或者圆形的支架，两个转轴分别设置在半圆形支架的两端或圆形支架一条轴线的两端。

6.如权利要求1所述的一种庞加莱球仪，其特征在于，所述固定架由一个半圆形的支架和一个圆形支架两部分组成，所述转轴设置在该圆形支架一条轴线的两端；所述半圆形的支架两端设置有转轴，每个转轴上连接一个卡扣，所述卡扣用于固定所述圆形支架轨道，使所述圆形支架轨道能够实现自由滑动与转动。