偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的趣味性改進(jìn)

王佩祥，喻秋山，黃志洋，孫向陽(yáng)，韓立波

(長(zhǎng)江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的趣味性改進(jìn)

王佩祥，喻秋山，黃志洋，孫向陽(yáng)，韓立波

(長(zhǎng)江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

摘要：為了提高偏振光學(xué)內(nèi)容的課堂輔助教學(xué)演示效果，對(duì)SGP-2A型偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行輕量化和自動(dòng)測(cè)量的改進(jìn)，并重新設(shè)計(jì)了光源、接收模塊和偏振光模化. 改進(jìn)后的系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量與處理的自動(dòng)化，還可演示偏振光補(bǔ)色、光彈效應(yīng)、克爾效應(yīng)和旋光效應(yīng)等多個(gè)趣味性實(shí)驗(yàn)，從更多角度展示光的偏振特性，提升學(xué)生對(duì)偏振光學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)效果.

關(guān)鍵詞：偏振光補(bǔ)色；光彈效應(yīng)；克爾效應(yīng)；旋光效應(yīng)

資助項(xiàng)目：長(zhǎng)江大學(xué)省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(No．104892014305)；長(zhǎng)江大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目(No．JY2014026)

德國(guó)教育家第斯多惠曾說過：“教學(xué)的藝術(shù)不在于傳授本領(lǐng)，而在于激勵(lì)、喚醒和鼓舞.”教師若在理解學(xué)生好奇心和求知欲特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實(shí)際，補(bǔ)充適量的趣味性實(shí)驗(yàn)，則可極大地激發(fā)學(xué)生的探究熱情，獲得意想不到的教學(xué)效果.

光的偏振是指光在傳播過程中振動(dòng)方向與傳播方向的不對(duì)稱性. 這種特殊性質(zhì)可與力、熱、電、磁等外界場(chǎng)發(fā)生相互作用，并受外場(chǎng)的調(diào)制. 以偏振光為載體可完成各種場(chǎng)信息的傳遞、轉(zhuǎn)換和表達(dá)，這些也構(gòu)成了現(xiàn)代偏振光學(xué)信息處理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ). 為豐富偏振光學(xué)課堂輔助教學(xué)內(nèi)容和提高課堂演示效果，項(xiàng)目小組以天津港東科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的SGP-2A型偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為原型，進(jìn)行了自動(dòng)化測(cè)量和提高實(shí)驗(yàn)趣味性的改進(jìn)研究，開發(fā)出了趣味性偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[1].

1偏振光路的形成原理

自然光(激光)經(jīng)過透光軸方向夾角為θ的偏振片P1和P2后(如圖1所示)，其透射光強(qiáng)I變?yōu)椋?/p>

I=I0cos2θ,

(1)

其中，I0為偏振片P2的入射光光強(qiáng)，式(1)是馬呂斯定律.

若在偏振片P1和P2間插入透明介質(zhì)P3(如某些液體或晶體)，并在介質(zhì)上附加力、熱、電、磁等外場(chǎng)作用時(shí)，則P2的透射光將會(huì)出現(xiàn)一些有趣實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[2-9]，趣味性實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究據(jù)此展開.

圖1　偏振原理

2偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

2.1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的便攜性與自動(dòng)化改進(jìn)設(shè)計(jì)

為滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為課堂輔助教學(xué)演示的便攜性和快速演示的特性，項(xiàng)目小組對(duì)SGP-2A型偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了輕量化和自動(dòng)測(cè)量的模塊化設(shè)計(jì)，如圖2所示. 具體內(nèi)容參見前期研究成果[1].

2.2　偏振光趣味實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改進(jìn)設(shè)計(jì)

趣味性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)是新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)中的另一重要任務(wù)，主要集中在光源、光學(xué)信號(hào)接收和趣味性偏振光學(xué)模塊3部分.

1)光源模塊. 用可切換的白熾燈光源和固體激光雙光源替代He-Ne氣體激光器,可減小激光光源模塊的體積和質(zhì)量，提高空間利用率. 雙光源設(shè)計(jì)可以提供單色和連續(xù)光源，使實(shí)驗(yàn)演示現(xiàn)象更豐富，表現(xiàn)力更佳.

2)光學(xué)信息接收模塊. 系統(tǒng)采用日本濱松公司生產(chǎn)的S2387-33R型PIN光電二極管對(duì)進(jìn)行光信號(hào)探測(cè)，并以抗干擾能力強(qiáng)的超低偏置電流差動(dòng)運(yùn)算放大器OPA129組成差分運(yùn)放電路進(jìn)行信號(hào)處理，可很好地濾掉背景光和光電二極管中暗電流的影響，如圖3所示[10].

1.立柱　2.水平軸驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)　3.內(nèi)置白光與激光可切換光源　4.偏振片　5.載物臺(tái)　6.偏振片　7.內(nèi)置CCD攝像頭　8.豎直軸驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)　9.聯(lián)軸器10.微處理器模塊　11.開關(guān)電源模塊　12.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊　13.底座圖2　偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成

圖3　雙PIN光電二極管組成的前置放大電路和差分運(yùn)放電路

3)在載物臺(tái)上搭載不同的偏振光光學(xué)模塊，可實(shí)現(xiàn)偏振光補(bǔ)色、光彈效應(yīng)、克爾效應(yīng)和旋光效應(yīng)等的演示，豐富和拓展偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.

3偏振光學(xué)趣味實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1　偏振光補(bǔ)色實(shí)驗(yàn)的演示

如圖4(a)所示，白光光源經(jīng)過偏振片P1和P2時(shí)，分解出o光和e光，并產(chǎn)生確定的相位差φ1+φ2. 在透過厚度為d的透明介質(zhì)P3時(shí)，o光和e光在介質(zhì)中的傳播速度不一致，將產(chǎn)生光程差(no-ne)d. 而偏振片P2還將對(duì)透射光進(jìn)行過濾，只有振動(dòng)方向與偏振片透光軸方向一致的分量才能通過. 由以上分析可知，光束經(jīng)過偏振片P2后的o光和e光滿足相干光的3要素，可在屏上形成干涉條紋. 其中，o光和e光傳播過程中產(chǎn)生的相位差為：

(2)

式中，λ為入射光的波長(zhǎng)，no和ne分別為o光和e光在透明介質(zhì)中的折射率，d為光傳播方向上透明介質(zhì)的厚度，φ為兩偏振片上產(chǎn)生的附加相位差之和.

(a)偏振光補(bǔ)色原理

(b)白光照射下的冰晶偏振光干涉條紋圖4　偏振光補(bǔ)色實(shí)驗(yàn)

單色光入射時(shí)，若透明介質(zhì)厚度均勻，則相位差恒定，屏上光強(qiáng)均勻分布；旋轉(zhuǎn)偏振片，其附加相位差改變，屏上光強(qiáng)度改變. 白光入射，光波波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，若透明介質(zhì)厚度分布均勻，則依(2)式可知白光中的某一波長(zhǎng)的光會(huì)因滿足干涉相消條件而呈現(xiàn)它的互補(bǔ)色，這就是偏振光補(bǔ)色現(xiàn)象[5-6]. 若改變透明介質(zhì)的厚度或轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，相位差的改變將使得屏上色彩隨之變化. 若使用的透明介質(zhì)為厚度不均的劈尖時(shí)，單色光入射，屏上出現(xiàn)干涉條紋；入射光為白光，則形成彩色條紋. 據(jù)此，可根據(jù)彩色條紋的變化來檢測(cè)透明介質(zhì)厚度的微小變化. 圖4(b)為演示實(shí)驗(yàn)中處于白光照射下的冰晶偏振光干涉條紋，不同的色彩紋條分布表明了冰晶不同位置的微小厚度差異.

3.2　光彈效應(yīng)的演示

許多各向同性透明介質(zhì)(包括固體、液體和氣體)在某些外加條件(如應(yīng)力)的影響下會(huì)產(chǎn)生各向異性，即光在透明介質(zhì)中的不同方向上折射率n會(huì)有所不同，從而出現(xiàn)應(yīng)力雙折射現(xiàn)象(也稱光彈效應(yīng))[7]. 如圖5所示，將各向同性的透明塑料工件放置在兩透光軸方向相互垂直的偏振片之間，在工件上施加作用力，則在屏上可觀察到光彈效應(yīng)形成的干涉條紋，且應(yīng)力越集中，條紋越密集. 在工程上，光彈效應(yīng)可用于檢測(cè)工件的應(yīng)力分布情況.

(a)光彈效應(yīng)組成示意圖

(b)光彈效應(yīng)紋樣圖5　光彈效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)

3.3　克爾效應(yīng)的演示

某些各向同性的透明介質(zhì)(如非晶體和液體)，在外電場(chǎng)的作用下，也顯示出雙折射現(xiàn)象，稱為克爾效應(yīng)(2次電光效應(yīng))[8]. 如圖6所示，外接直流高壓電源的電容器浸泡于各向同性的溶液(如硝基苯，C6H5NO2)中，光通過電容器兩極板間的電場(chǎng)，偏振片P1和P2的透光軸方向相互垂直. 不加電場(chǎng)時(shí)，透明介質(zhì)各向同性，偏振片P2后無光出射；外加電場(chǎng)時(shí)，偏振片P2后有光出射. 出射光強(qiáng)隨外加電場(chǎng)的變化，表明透明介質(zhì)受到電場(chǎng)作用時(shí)產(chǎn)生了克爾效應(yīng). 由于克爾效應(yīng)中的電光轉(zhuǎn)化響應(yīng)幾乎沒有慣性(響應(yīng)時(shí)間τ<10-9s)，故偏振光的偏振態(tài)將與電場(chǎng)作同步變化，實(shí)現(xiàn)電—光的同步調(diào)制，可用于通訊工程上的電光訊號(hào)轉(zhuǎn)換. 在現(xiàn)實(shí)中，為實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制器件的小型化和降低功耗，常使用KH2PO4(KDP)和NH4H2PO4(ADP)等電光晶體替代液態(tài)介質(zhì).

圖6　克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖

3.4　旋光效應(yīng)與量糖術(shù)的演示

線偏振光通過某些物質(zhì)后，其偏振面將以光傳播方向?yàn)檩S線偏轉(zhuǎn)過一定角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象[9]. 圖1中將石英晶片(透明介質(zhì)P3)放入透光軸方向相互垂直的偏振片P1和P2之間，并使晶片的光軸與入射光的偏振方向相一致，屏上光斑將由暗變亮. 表明光在經(jīng)過石英晶片時(shí)其偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度，即石英晶體產(chǎn)生了旋光現(xiàn)象. 蔗糖、果糖等溶液也具旋光性質(zhì)，且旋轉(zhuǎn)角度的大小、方向與溶液的性質(zhì)、濃度(C)以及光通過的距離(d)有關(guān)：

θ=[α]Cd,

(3)

其中，[α]為旋光率，與旋光介質(zhì)的性質(zhì)、溫度及入射光的波長(zhǎng)有關(guān). 工業(yè)上，常根據(jù)式(3)測(cè)量旋光溶液的濃度，這就是量糖術(shù).

實(shí)驗(yàn)演示中用1根帶有平行平面窗口且管內(nèi)充滿待測(cè)糖溶液的玻璃管代替圖1中的石英晶體，并由單片機(jī)控制下的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)偏振片P2繞光軸旋轉(zhuǎn)，獲得通過偏振片P2后的透射光強(qiáng)變化曲線. 觀察和對(duì)比不同溶液裝入前后的正余弦曲線的振幅和相位變化(如圖7中曲線Ⅰ和Ⅱ所示)，可以直觀地得到偏振光通過旋光溶液時(shí)的相位偏移量(即旋光角θ)及偏移方向(左旋或右旋溶液的判別標(biāo)準(zhǔn)). 據(jù)此，根據(jù)式(3)即可測(cè)定糖溶液的濃度.

圖7　旋光效應(yīng)演示

系統(tǒng)以波長(zhǎng)為632.8 nm的激光應(yīng)用于蔗糖水溶液的濃度測(cè)定. 20 ℃環(huán)境下，查得蔗糖水溶液的旋光率為64.00°/(dm·g·cm-3)，測(cè)得管長(zhǎng)為2.00 dm. 在未放待測(cè)溶液時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器P2旋轉(zhuǎn)2周，獲得透射光強(qiáng)變化曲線Ⅰ. 保持起偏器和光源的強(qiáng)度、透射方向不變，在管中加入待測(cè)溶液，重復(fù)上述操作，得到透射光強(qiáng)變化曲線Ⅱ. 導(dǎo)出兩測(cè)量曲線中數(shù)據(jù)極小值點(diǎn)附近的旋轉(zhuǎn)角位置數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)光強(qiáng)數(shù)據(jù)，如表1~2所示.

表1　未加待測(cè)溶液時(shí)旋轉(zhuǎn)角位置與

表2　加入待測(cè)溶液時(shí)旋轉(zhuǎn)角位置與

對(duì)2條曲線的極小值附近的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用最小二乘法處理[9]，分別求得曲線Ⅰ和Ⅱ在最小值處對(duì)應(yīng)的相位差偏移量為179.426°和156.523°，即旋光角θ≈22.90°. 由此，可計(jì)算出蔗糖溶液的濃度為C=0.179 g/cm3. 測(cè)得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相比求出相對(duì)偏差為

以上計(jì)算均可在STM32F103微處理器中由程序自動(dòng)處理完成.

4趣味性偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與制作，系統(tǒng)的實(shí)物外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示. 在經(jīng)歷過多次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后，系統(tǒng)的處理核心也由最初的STC12C5A60S2升級(jí)到性能更為強(qiáng)大的STM32F103，能更好地滿足不同趣味實(shí)驗(yàn)演示模塊演示過程中的數(shù)據(jù)處理需求.

(a)外觀

(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8　偏振光實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)

5結(jié)束語(yǔ)

偏振光實(shí)驗(yàn)新系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比，演示效果的趣味性得到了提升，同時(shí)還兼顧到了課堂輔助教學(xué)儀器的便攜性和快速演示的需求. 經(jīng)實(shí)地試用，結(jié)果表明改進(jìn)后的趣味性偏振光實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)對(duì)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)和深入了解光與物質(zhì)的相互作用規(guī)律有著積極的提升效果.

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[責(zé)任編輯：郭偉]

Research on improvement of polarization of

experimental system of polarized light

WANG Pei-xiang, YU Qiu-shan， HUANG Zhi-yang, SUN Xiang-yang, HAN Li-bo

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023， China)

Abstract:In order to improve the presentation effects in classroom teaching of polarized light, the experimental study on the SGP-2A polarized light experiment system is accomplished with the purpose of automatic measurement and increasing interest. The improved system not only can automatically measure and process data, but also can present polarized light color complement, photoelastic effect and Kerr effect and optical rotation effect and other interesting experiment, characteristics of polarized light are showed from many perspectives which enhance students’ studying effects on polarized light.

Key words:polarized light color complement; photoelastic effect; Kerr effect; optical rotation effect

通訊作者：喻秋山(1977-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)楣怆姴牧吓c器件應(yīng)用.

作者簡(jiǎn)介：王佩祥(1992-)，男，湖北黃岡人，長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院2011級(jí)本科生.

收稿日期：2015-08-13；修改日期：2015-10-18

中圖分類號(hào)：O436.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)02-0037-05