利用數(shù)字示波器演示光學波片原理

廖艷林，趙 艷，諶正艮，侯 浩

(1.安徽大學 物理與材料科學學院，安徽 合肥 230039；2.安徽醫(yī)科大學 物理系,安徽 合肥 230032)

偏振是電磁波的重要特性之一。迄今，偏振控制技術(shù)已在光信息處理、光學計量、光調(diào)制器、應力分析、光通信、光開關(guān)等方面有著廣泛應用。光的偏振也是大學物理實驗的一個重難點內(nèi)容，特別是光學波片的工作原理[1-4]。由于光學波片的宏觀現(xiàn)象源于微觀結(jié)構(gòu)，難以直觀描述，因此，如何形象描述波片工作原理，提高光學波片教學質(zhì)量就是一個值得思考的問題。圍繞這一問題，杜嘉萍等人通過擴大實驗流程，引導學生自主思考，從而確定偏振片以及波片光軸[5]。戴瑞等人將3只白熾燈排列呈正三角形對原有的實驗光源進行改進，從而方便演示偏振光干涉以及光彈性效應[6]。另一方面，示波器可以直觀觀察電信號的波形、幅度和頻率等參數(shù)，是一種用途極為廣泛的電子設備。近年來，由于數(shù)字示波器的便捷性以及圖形美觀等特點，在各個領域快速替代了模擬示波器，大學物理實驗教學中也在大力推行數(shù)字示波器使用。如果將數(shù)字示波器應用于光學波片原理演示，將有效提高數(shù)字示波器和光學波片的教學效果。

本文將數(shù)字示波器應用于光學波片原理教學，根據(jù)光學波片原理，調(diào)節(jié)兩路電信號的相位差和幅度關(guān)系，實現(xiàn)四分之一波片和二分之一波片的演示。該實驗教學不僅可以直觀展示光學波片工作原理，也可以進一步熟練示波器的應用。

1 光學波片原理

如圖1所示。

圖1 o光和e光

光學波片一般為雙折射晶體，偏振光垂直晶體的光軸入射，并分解為平行于光軸的e光以及垂直于光軸的o光，其振幅分別為：a=Asinθ(o光),b=Acosθ(e光)。θ是光軸與入射光偏振方向之間的夾角。o光和e光在晶體中的傳播速度不同，一個線偏振光通過厚度為d的晶體后，他們之間的相位差為

(1)

這里d和λ分別是光程差、切片厚度和入射波長；另外，no和ne分別為o光和e光在晶體中的折射率。如果o光初相位為0，則為o光和e光的振動合成為：

(2)

這是一橢圓方程，且隨著Δφ的不同橢圓度也不同。

另一方面，二分之一波片是o光和e光產(chǎn)生λ/2光程差。此時Δφ=π，出射光仍然為偏振光，且振動方向相對于入射光的振動面轉(zhuǎn)過2θ角。

2 示波器演示

為演示波片原理，我們采用了一臺固緯示波器(型號：2102EQ)，該示波器不僅可以顯示波形，還可以同時輸出2路相位相關(guān)信號。示波器的正弦信號輸出調(diào)節(jié)為：option→任意波發(fā)生器→輸出設置→輸出(開)，源1設置→波形設置→頻率(設定為100 Hz)。將源1設置的信號接CH1通道，再按照同樣路徑設定好源2，并將源2信號從CH2輸入。將示波器顯示進入李薩如圖形模式，調(diào)節(jié)為：acquire→XY→開啟XY。此時，XY軸類比為平行于光軸的e光以及垂直于光軸的o光。

(a)θ=0°

(b) θ=45°圖2 二分之一波片

對于二分之一波片，我們設定源1和2的相位差為180°，通過衰減源2的幅度模擬入射光偏振方向與光軸夾角為0°，此時經(jīng)過波片后的偏振方向與入射光偏振方向一致，示波器演示效果見圖2(a)。將源1和2信號的幅度調(diào)成同等大小，即此時入射光偏振與光軸方向成45°夾角，可得到圖2(b)效果，從圖中可以看出，合成的仍然是一個線偏振，但是此時的振動方向已經(jīng)相對于入射光振動方向旋轉(zhuǎn)了90°，即當前振動方向為135°。

(a)θ=0°

(b) θ=45°圖3 四分之一波片

我們設定源1和2的相位差為90°，同樣通過衰減源2的幅度模擬入射光偏振方向與光軸夾角為0°，此時表明經(jīng)過波片后的偏振方向與入射光偏振方向一致，演示效果見圖3(a)。將源1和2信號的幅度調(diào)成同等大小，即此時相當于入射光偏振與光軸方向成45°夾角，可得到圖3(b)效果，從示波器李薩如圖可以看出，合成的振動是一個圓，即四分之一波片。

3 結(jié) 論

本文將數(shù)字示波器應用于光學波片原理教學，根據(jù)光學波片原理，調(diào)節(jié)兩路電信號的相位差和幅度關(guān)系，實現(xiàn)四分之一波片和二分之一波片原理演示。該實驗教學不僅可以直觀展示光學波片工作原理，也可以進一步提高示波器實驗教學效果。