光電轉(zhuǎn)換器的性能對偏振實驗結(jié)果的影響*

李香蓮 楊 明

(華中科技大學(xué)物理學(xué)院 湖北 武漢 430074)

偏振實驗是理工科院校大學(xué)物理實驗室中一個常見而又重要的光學(xué)實驗[1～3]．其中涉及的內(nèi)容如馬呂斯定律的驗證、橢圓偏振光光強(qiáng)的測量等等，從原理上來看既簡單又直觀，儀器也大都是散裝式的．因此，偏振實驗是鍛煉學(xué)生動手能力的不可多得的好實驗．然而，和其他許多光學(xué)實驗一樣，偏振實驗對各光學(xué)器件的要求很高，如果儀器有缺陷，就會得到各種“不理想”的實驗數(shù)據(jù)．

本文試圖就光電探測器的性能對偏振實驗結(jié)果的影響，進(jìn)行深入的探討．

1 偏振實驗簡介及其存在的問題

圖1 偏振實驗裝置示意圖

關(guān)于偏振實驗的實驗結(jié)果，筆者和兄弟院校從事大學(xué)物理實驗教學(xué)的教師進(jìn)行過交流，大家普遍反映實驗結(jié)果或多或少存在一些不理想的地方．比如驗證馬呂斯定律的內(nèi)容中所得到的實驗圖形線性不理想、圓偏振光的光強(qiáng)并非在各方向都相等、橢圓偏振光的光強(qiáng)分布也和理論結(jié)果有偏差等．究其原因，除了光路調(diào)節(jié)中存在偏差外，儀器問題是很重要的因素，比如偏振片的起偏效果、波片所對應(yīng)的波長與光源波長不一致、以及光電轉(zhuǎn)換器的性能等．后者，也即光電轉(zhuǎn)換器的性能對偏振實驗結(jié)果的影響，正是本文要探究的問題．

在偏振實驗中，不管是哪個實驗內(nèi)容，最終都是通過測量光強(qiáng)來獲得相應(yīng)物理規(guī)律的．通常而言，光強(qiáng)是通過光電轉(zhuǎn)換器，利用光電效應(yīng)的物理過程而測得電流．也就是說，我們是通過檢流計上顯示的電流來獲得相對光強(qiáng)的信息．這里暗含著一個前提條件，那就是光電轉(zhuǎn)換器接收到的光強(qiáng)與它產(chǎn)生的電流成線性關(guān)系．然而實際上，對任何光電轉(zhuǎn)換器來說，這種線性關(guān)系都只是在一定的光強(qiáng)范圍內(nèi)近似成立．好一點的光電轉(zhuǎn)換器可能在較大的光強(qiáng)范圍，保持著更加良好的線性關(guān)系，而差一點的光電轉(zhuǎn)換器則可能僅在較小的光強(qiáng)范圍保持線性關(guān)系．筆者所在實驗室所使用的光電轉(zhuǎn)換器，正是屬于線性區(qū)間相對較小的類型，因此，學(xué)生選擇大小不同的光強(qiáng)進(jìn)行實驗時，所得結(jié)果和理論結(jié)果之間的偏差就可能明顯不同．本文擬就馬呂斯定律的驗證以及橢圓偏振光光強(qiáng)測量的實驗內(nèi)容，探討光電探測器對實驗結(jié)果的影響．

2 在不同入射光強(qiáng)下驗證馬呂斯定律

在這一實驗內(nèi)容中，學(xué)生需要先調(diào)節(jié)檢偏器P2，使其透光方向垂直于起偏器P1的透光方向，然后依次將檢偏器的透光方向旋轉(zhuǎn)10°，測量兩偏振片透光方向夾角θ分別為90°，80°，…，0時的光電流，并在直角坐標(biāo)中畫出I-cos2θ圖．理論上，根據(jù)馬呂斯定律，I-cos2θ圖應(yīng)該是一條過原點的直線，但實際上學(xué)生畫出來的圖像很多并不是完美的直線，而是如圖2所示的曲線．

圖2 通過兩偏振片后的光強(qiáng)與兩偏振片透光

我們猜測光電探測器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時存在非線性的因素．為了分析不同大小的光強(qiáng)下，I-cos2θ圖形的變化趨勢，并且為了便于操作以及和橢圓偏振光光強(qiáng)測量進(jìn)行對比分析，我們在光源與起偏器P1之間加入另一個偏振片P0,如圖3所示，用以改變光強(qiáng)．

圖3 在不同光強(qiáng)下驗證馬呂斯定律的實驗裝置

我們測量了光強(qiáng)由強(qiáng)到弱依次為光強(qiáng)A，光強(qiáng)B，光強(qiáng)C，光強(qiáng)D，光強(qiáng)E，光強(qiáng)F時，光強(qiáng)I隨θ變化的數(shù)據(jù)，并作出了各不同光強(qiáng)下的I-cos2θ曲線，如圖4所示．從圖4中可以看出，當(dāng)光強(qiáng)比較強(qiáng)時，I-cos2θ曲線明顯偏離線性關(guān)系(光強(qiáng)A，B下的曲線即如此)，隨著光強(qiáng)變?nèi)?，曲線逐漸變成直線(光強(qiáng)D，E，F(xiàn)下的圖像基本上都是直線)．因此，光強(qiáng)較強(qiáng)時，測得的數(shù)據(jù)明顯失真，如果在這種光強(qiáng)下測量橢圓偏振光的光強(qiáng)分布，得到的必然也會是失真的結(jié)果．

圖4 在入射光強(qiáng)為不同強(qiáng)度時，通過兩偏振片后的光強(qiáng)與兩偏振片透光方向夾角之余弦平方的關(guān)系

3 在不同入射光強(qiáng)下測量橢圓偏振光光強(qiáng)

實驗裝置如圖5所示.

圖5 在不同光強(qiáng)下測量橢圓偏振光光強(qiáng)的實驗裝置

這里，我們將上述夾角選為30°，并將檢偏器P2轉(zhuǎn)到不同的角度時測得的光強(qiáng)在極坐標(biāo)圖中畫出來，如圖6所示．

圖6 在不同入射光強(qiáng)下測得的橢圓偏振光光強(qiáng)分布曲線

從圖6可以看出，雖然各不同入射光強(qiáng)下的橢圓偏振光光強(qiáng)分布曲線形狀都和理論上的花生殼形狀一致，但仔細(xì)分析則可以發(fā)現(xiàn)，不同“花生殼”的長短軸之比(即最強(qiáng)光強(qiáng)和最弱光強(qiáng)之比)是不太一樣的：從光強(qiáng)A到光強(qiáng)F這一比值依次為1.992，2.563，3.115，3.186，3.253，3.222．由此可知，在光強(qiáng)A和B下，由于光電轉(zhuǎn)換器工作在非線性區(qū)域(參考圖4)，得到的橢圓偏振光光強(qiáng)分布曲線失真明顯，而光強(qiáng)C接近光電轉(zhuǎn)換器的線性區(qū)域，所以相應(yīng)的橢圓偏振光光強(qiáng)分布曲線也趨向于真實曲線，到光強(qiáng)D，E，F(xiàn)，光電轉(zhuǎn)換器基本上工作在線性區(qū)域，所以相應(yīng)的橢圓偏振光光強(qiáng)分布曲線也基本上是真實的，最強(qiáng)光強(qiáng)和最弱光強(qiáng)之比也基本上穩(wěn)定下來．至于這一光強(qiáng)比和理論上的比值(cot230°=3)存在偏差，那應(yīng)該歸于其他因素，比如波片本身在厚度等方面的偏差、以及與光源波長的匹配等等．

4 結(jié)論

綜上所述，在偏振實驗中，光電轉(zhuǎn)換器是值得關(guān)注的重要因素．我們要么配備性能優(yōu)良的光電轉(zhuǎn)換器，以致它的線性工作區(qū)覆蓋我們的光強(qiáng)調(diào)節(jié)范圍；要么要求學(xué)生把光強(qiáng)控制在較小的范圍，使它處于所使用光電轉(zhuǎn)換器的線性區(qū)域；要么引導(dǎo)學(xué)生自己去分析、控制光強(qiáng)的大?。?/p>