將分光計(jì)改造成偏振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

平 澄，所廣斌

(北京師范大學(xué) 物理學(xué)系，北京 100875)

將分光計(jì)改造成偏振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

平 澄，所廣斌

(北京師范大學(xué) 物理學(xué)系，北京 100875)

將分光計(jì)改造成偏振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用3D設(shè)計(jì)圖較為形象地展示主要實(shí)驗(yàn)器件的設(shè)計(jì)思路，改造后偏振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以做起偏、檢偏、布魯斯特角、波片性能、玻璃堆起偏、旋光、液晶物性等與典型偏振實(shí)驗(yàn).

分光計(jì);偏振實(shí)驗(yàn);馬呂斯定律;布魯斯特角;波片;旋光;液晶物性

光的偏振現(xiàn)象是光學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，也是較難的部分，必須輔以實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解，目前高校的偏振實(shí)驗(yàn)基本上都是以定量測量為主，測量的重點(diǎn)是角度，北京師范大學(xué)物理學(xué)系先后從2個(gè)生產(chǎn)廠家購買過數(shù)套偏振實(shí)驗(yàn)裝置，但普遍存在著測量精度低、不容易擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、學(xué)生搭建光路時(shí)元器件固定不牢、容易產(chǎn)生晃動(dòng)、等高共軸不容易調(diào)節(jié)等問題，最終導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不理想.

分光計(jì)是經(jīng)典的光學(xué)測角儀器，其特點(diǎn)是成熟、可靠，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度高，高校的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室都有此設(shè)備. 把分光計(jì)改造成偏振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)該是不錯(cuò)的選題，經(jīng)過嘗試，取得了比較理想的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了在分光計(jì)上做一系列偏振實(shí)驗(yàn)，包括驗(yàn)證馬呂斯定律、測量布魯斯特角、半波片和λ/4波片的應(yīng)用、玻璃堆起偏、液體的旋光性、液晶物性等.

1)分光計(jì)的改造，把入射狹縫、準(zhǔn)直管出射透鏡、望遠(yuǎn)鏡入射物鏡、目鏡、載物臺(tái)上可調(diào)節(jié)水平的上層平臺(tái)等分光計(jì)上與偏振無關(guān)的零件拆下.

2)實(shí)驗(yàn)用光源有2個(gè)：一個(gè)是白色LED光源，用于驗(yàn)證馬呂斯定律及測量布魯斯特角、玻璃堆起偏測量及觀察偏振光干涉現(xiàn)象；另一個(gè)是波長650 nm的半導(dǎo)體激光器，用于半波片和λ/4波片、液體的旋光性、液晶物性實(shí)驗(yàn). 每個(gè)光源單獨(dú)制作1個(gè)套筒，將其直接插入望遠(yuǎn)鏡筒中，并且可以共用相同電源. 白色LED光源參量是12 V，3 W，半導(dǎo)體激光器的參量是3 V，10 mW，為共用12 V/1 A穩(wěn)壓電源，激光器需加分壓電路，最好再加積分電路使加在激光器上的電壓逐漸上升保護(hù)激光器，因?yàn)殡娐泛唵卧?，電路可以直接放入套筒中，裝置如圖1所示，材料為尼龍.

圖1 光源裝置

3)偏振片的制作與放置，偏振片放置在圖2所示的位置，應(yīng)將偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)得盡量薄，這樣可增加載物臺(tái)上放置器件的空間.

圖2 起偏器、檢偏器的位置

為使偏振片轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，使用了薄壁軸承，偏振片的刻度盤采用激光雕刻，其刻度線清晰，精度高(最小分度1°)，結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 偏振片旋轉(zhuǎn)裝置的組成結(jié)構(gòu)

4)玻璃反射起偏和玻璃堆透射起偏. 用分光計(jì)做偏振實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢是它的載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)靈活、精度高，可以與游標(biāo)盤鎖定后一同旋轉(zhuǎn)，去掉載物臺(tái)調(diào)平螺絲和可調(diào)升降的平臺(tái)后，可看到載物臺(tái)中心孔和邊緣上的孔，為防止操作時(shí)待測器件在平臺(tái)上移動(dòng)，可利用這2個(gè)孔做為放置待測器件的定位固定孔.

測量布魯斯特角的玻璃用1片載玻片，測量玻璃堆起偏大約用50片蓋玻片，為它們分別做固定架，并放置在分光計(jì)的載物臺(tái)上，如圖4所示.

圖4 載物臺(tái)上放置待測器件

5)波片性能實(shí)驗(yàn). 做2個(gè)波片旋轉(zhuǎn)架，一個(gè)裝半波片，另一個(gè)裝λ/4波片，要將架子定位在載物臺(tái)上，波片可360°旋轉(zhuǎn). 旋轉(zhuǎn)部分與偏振片架的旋轉(zhuǎn)部分的尺寸、結(jié)構(gòu)盡量相同，這樣既通用又可節(jié)約加工成本，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 波片旋轉(zhuǎn)裝置的組成結(jié)構(gòu)

6)偏振光干涉現(xiàn)象的觀察. 可讓學(xué)生用塑料紙做成厚度不均勻的形狀，放在載物臺(tái)上，也可用力施加放在載物臺(tái)上的薄有機(jī)玻璃上. 光源用白色LED，經(jīng)起偏器照到載物臺(tái)的樣品上，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，在望遠(yuǎn)鏡出射孔處可觀察到不同波長偏振光干涉產(chǎn)生的顏色變化.

7)液體旋光實(shí)驗(yàn). 使用長度為100 mm的旋光管，只需為其做個(gè)簡單的架子放到載物臺(tái)上，如圖6所示，光源用半導(dǎo)體激光. 實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生自己配制不同濃度的糖水溶液，觀察其旋光性并測量溶液濃度.

圖6 旋光管架

8)液晶物性. 實(shí)驗(yàn)用向列相液晶光閥，通過調(diào)節(jié)外加電壓的大小可以改變液晶光閥的透光率，由此研究液晶物性和液晶屏的顯示原理. 成品的液晶光閥前后表面都貼有偏振片，應(yīng)將其部分或全部揭去，用起偏器和檢偏器代替其功能，實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容為：測量液晶的扭曲角、液晶電控雙折射效應(yīng)、液晶響應(yīng)時(shí)間測量.

圖7 液晶盒的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的液晶盒如圖7所示，液晶上的偏振片有一半被揭去，另一半保留，這樣做的目的是：用揭去部分研究液晶物性，保留部分讓學(xué)生了解液晶板成品的結(jié)構(gòu)、前后偏振片的偏振方向等；還有一部分是完全透光的，用于與光穿過液晶板后的性質(zhì)進(jìn)行比較. 將液晶板固定在液晶盒里，液晶盒固定在滑軌上，然后整體放置到載物臺(tái)上，液晶板在滑軌上移動(dòng)，就可以觀察和測量液晶的不同部位.

9)光電傳感器及測量裝置. 光電轉(zhuǎn)換裝置安裝在望遠(yuǎn)鏡的出射孔上，為精確測量，需選用靈敏度較高的光電傳感器，使用硅光電池，光電流需經(jīng)放大和去噪后用數(shù)字電表顯示；也可以購買成的激光功率計(jì)，如SANWA激光功率計(jì)(測量范圍為0.01 μW～40 mW)，可以勝任測量任務(wù).

在此需要說明的是，測量布魯斯特角需要使用白屏接收玻璃的發(fā)射光，并用眼睛觀察，而不是用光電接收裝置測量光電流，這是因?yàn)楫?dāng)玻璃的反射角為布魯斯特角時(shí)，反射光消失，導(dǎo)致用光電接收裝置無法跟蹤，很難找到準(zhǔn)確位置. 測量原理是利用光的可逆性，可以很精確地測得布魯斯特角，具體操作為：將待測玻璃放到載物臺(tái)上，將載物臺(tái)與游標(biāo)盤聯(lián)動(dòng)，外刻度盤鎖定，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片和載物臺(tái)，使得在白屏上看到的反射光消失，如圖8(a)所示，標(biāo)對應(yīng)角度ψ1和ψ1′；再次轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，改變待測玻璃的方向，使得白屏上的反射光再次消失，記下左右游標(biāo)盤對應(yīng)角度ψ2和ψ2′，如圖8(b)所示. 布魯斯特角θ為

(a) (b)圖8 測量布魯斯特角光路

利用分光計(jì)平臺(tái)的靈活性，還可以進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如晶體的雙折射現(xiàn)象、尼克爾棱鏡起偏檢偏等.

改造后實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)效果令人滿意，與原儀器比較，改進(jìn)后的儀器易于使用，且豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，降低了故障率，提高了實(shí)驗(yàn)精度. 利用該儀器可以分幾個(gè)單元開設(shè)偏振光的系列實(shí)驗(yàn).

[1] 曹慧賢. 普通物理實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社,2007：216-223.

[2] 趙凱華,鐘錫華. 光學(xué)(下冊)[M]. 北京：北京大學(xué)出版社,2000：165-212.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Transform spectrometer into polarization experiment platform

PING Cheng, SUO Guang-bin

(Department of Physics, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

The method of transform spectrometer into polarization experiment platform was introduced. 3D design images of the main experiment devices were showed. The improved polarization experiment platform could undertake many related polarization experiments, such as polarizing experiment, analyzer experiment, Brewster angle experiment, wave plate experiment, glass stacking polarizing experiment, optical rotation experiment and liquid crystals experiment.

spectrometer; polarization; Marius law; Brewster angle; wave plate; optical rotation; properties of liquid crystals

2016-05-30

平 澄(1962-)，男，江蘇南京人，北京師范大學(xué)物理學(xué)系高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)儀器研究開發(fā).

O436.3

A

1005-4642(2017)03-0018-03

“第9屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文