偏振光實(shí)驗(yàn)用光強(qiáng)計(jì)的設(shè)計(jì)

田文秀 李宏敏

摘 要：利用硅光電池接收入射的偏振光，電流經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換和放大后，將電壓值在數(shù)顯電壓表上顯示。將光強(qiáng)計(jì)應(yīng)用在偏振光實(shí)驗(yàn)中，較好地驗(yàn)證了馬呂斯定律。該光強(qiáng)計(jì)有精度高、實(shí)用性強(qiáng)，可在其它大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中推廣測光強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：硅光電池；I/V轉(zhuǎn)換；光強(qiáng)計(jì)

1 設(shè)計(jì)思路

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)《偏振光試驗(yàn)》中，測量光強(qiáng)是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)的方法是采用中值微安計(jì)測量光電流，但是光電流為μΑ級，而且微安計(jì)為指針式，測量數(shù)值極不準(zhǔn)確，所得數(shù)值與理論值有較大出入【1-2】。我們擬設(shè)計(jì)硅光電池光強(qiáng)計(jì)，將反映光強(qiáng)大小的電流經(jīng)I/V 轉(zhuǎn)換后變?yōu)橐粋€(gè)放大的電壓信號，電壓信號再一次被放大后由數(shù)顯表頭顯示。主要原理圖如圖（1）所示。為了使顯示模塊正常工作，我們自制了+12V、-12V 的穩(wěn)定電壓為電源。

2 硅光電池光強(qiáng)計(jì)的設(shè)計(jì)

2.1 光電轉(zhuǎn)換探頭的選取

經(jīng)實(shí)驗(yàn)對比光敏電阻、光電倍增管、光電二極管、硅光電池等元件特性，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室已有的硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換元件最適合.因?yàn)楣韫怆姵卦诙搪非闆r下輸出電流與照射光強(qiáng)大小嚴(yán)格成線性關(guān)系[3]，有

其它元件的輸出電流和照射光強(qiáng)是一種非線性關(guān)系，處理比較麻煩，而硅光電池短路電流的大小可直接反映出光強(qiáng)I的大小，由此可見用硅光電池做探頭是合適的。

2.2 轉(zhuǎn)換電路、放大電路設(shè)計(jì)原理

I/V轉(zhuǎn)換： 硅光電池受光照時(shí)輸出的電流很微弱，為此設(shè)計(jì)了如圖（2）所示的I/V轉(zhuǎn)換【4】、放大電路，電路如圖，硅光電池的正極接地，由運(yùn)算放大器的“兩虛”性質(zhì)，硅光電池會在由硅光電池和運(yùn)放組成的回路里面產(chǎn)生短路電流，在輸出端的電壓信號反饋電阻Rf為放大倍數(shù)。

因?yàn)檫\(yùn)算放大器中具有輸入寄生電容Cin，Rf增大時(shí)會引起相位滯后及干擾振蕩，有效的方法是在放大器上并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電容C，并聯(lián)的電容C具有相位超前的作用，進(jìn)行超前相位補(bǔ)償，因此，相位滯后的Cin與可以相位超前的C可使電路穩(wěn)定。

電壓放大電路：由于I/V轉(zhuǎn)換電路的增益不能取得太大，I/V轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓不夠大，因此我們還需要給電路設(shè)計(jì)一個(gè)電壓放大的電路. 【4】如圖（3）所示，電路采用運(yùn)算放大器組成的單級反相放大器，單級放大的倍數(shù)為倍.

2.3光強(qiáng)計(jì)整體電路設(shè)計(jì)

如圖（4）所示，硅光電池接在P1端口上，P3端口是用于供電的， P2端口接輸出接數(shù)字表頭。光照射硅光電池產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的電流，當(dāng)電流通過運(yùn)算放大器TL084的時(shí)候，通過I—V轉(zhuǎn)換，把電流變成電壓。由于電壓很小，因此電路中設(shè)置了二級放大電路使電壓放大到可以檢測到的強(qiáng)度?；瑒与娮杵鱎5的設(shè)置，是由于測量的環(huán)境還有其他的背景光存在，為了消除背景光光強(qiáng)引起的誤差而加上了R5調(diào)零電路，以消除背景光的干擾。從第三級運(yùn)算放大器來的電壓信號進(jìn)入到第四級，第四級與第二級的作用大致一樣，第四級主要是進(jìn)行阻抗匹配，使得輸出的擴(kuò)展性變得更好。

3.實(shí)驗(yàn)調(diào)試

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

我們將設(shè)計(jì)好的光強(qiáng)計(jì)應(yīng)用在偏振光檢測實(shí)驗(yàn)中，見圖（5）、圖（6）。馬呂斯定律可以描述為 ：強(qiáng)度為

3.2 數(shù)據(jù)記錄與分析

以下是我們用改進(jìn)后的裝置所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

利用計(jì)算機(jī)軟件（Excel）對偏振光實(shí)驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，所得到結(jié)果和理論值非常接近，可以得到偏振光的光強(qiáng)和cos2α的線性關(guān)系。

4 結(jié)論

經(jīng)調(diào)試，本款自制的偏振光實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)計(jì)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）采用光電池作為光電轉(zhuǎn)換器件，光電池的光譜響應(yīng)范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高，線性響應(yīng)好，產(chǎn)生的微電流比較穩(wěn)定.

（2） 在偏振光實(shí)驗(yàn)中，本光強(qiáng)計(jì)的測量結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確，比原有的中值微安計(jì)更準(zhǔn)確直觀。本光強(qiáng)計(jì)取材簡單，成本較低，可以推廣到光的衍射實(shí)驗(yàn)、光電效應(yīng)等大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中測量光強(qiáng)或者光電流。

參考文獻(xiàn)

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[5]馬文蔚.物理學(xué)教程.下冊 [M].高等教育出版社，2002.7：107-108.

作者簡介：田文秀（1982年12月—），男，湖北蘄春人，碩士研究生學(xué)歷，講師，湖北大學(xué)知行學(xué)院大學(xué)物理主講教師。