偏振光实验系统的趣味性改进

王佩祥，喻秋山，黄志洋，孙向阳，韩立波

(长江大学 物理与光电工程学院，湖北 荆州 434023)



偏振光实验系统的趣味性改进

王佩祥，喻秋山，黄志洋，孙向阳，韩立波

(长江大学 物理与光电工程学院，湖北 荆州 434023)

摘要：为了提高偏振光学内容的课堂辅助教学演示效果，对SGP-2A型偏振光实验系统进行轻量化和自动测量的改进，并重新设计了光源、接收模块和偏振光模化. 改进后的系统既可实现数据测量与处理的自动化，还可演示偏振光补色、光弹效应、克尔效应和旋光效应等多个趣味性实验，从更多角度展示光的偏振特性，提升学生对偏振光学内容的学习效果.

关键词：偏振光补色；光弹效应；克尔效应；旋光效应

资助项目：长江大学省级大学生创新创业训练计划项目(No．104892014305)；长江大学教学研究项目(No．JY2014026)

德国教育家第斯多惠曾说过：“教学的艺术不在于传授本领，而在于激励、唤醒和鼓舞.”教师若在理解学生好奇心和求知欲特点的基础上，结合教学实际，补充适量的趣味性实验，则可极大地激发学生的探究热情，获得意想不到的教学效果.

光的偏振是指光在传播过程中振动方向与传播方向的不对称性. 这种特殊性质可与力、热、电、磁等外界场发生相互作用，并受外场的调制. 以偏振光为载体可完成各种场信息的传递、转换和表达，这些也构成了现代偏振光学信息处理系统的开发与应用的基础. 为丰富偏振光学课堂辅助教学内容和提高课堂演示效果，项目小组以天津港东科技发展有限公司生产的SGP-2A型偏振光实验系统为原型，进行了自动化测量和提高实验趣味性的改进研究，开发出了趣味性偏振光实验系统[1].

1偏振光路的形成原理

自然光(激光)经过透光轴方向夹角为θ的偏振片P1和P2后(如图1所示)，其透射光强I变为：

I=I0cos2θ,

(1)

其中，I0为偏振片P2的入射光光强，式(1)是马吕斯定律.

若在偏振片P1和P2间插入透明介质P3(如某些液体或晶体)，并在介质上附加力、热、电、磁等外场作用时，则P2的透射光将会出现一些有趣实验现象[2-9]，趣味性实验的改进研究据此展开.

图1　偏振原理

2偏振光实验系统改进内容的设计

2.1　实验系统的便携性与自动化改进设计

为满足实验系统作为课堂辅助教学演示的便携性和快速演示的特性，项目小组对SGP-2A型偏振光实验系统进行了轻量化和自动测量的模块化设计，如图2所示. 具体内容参见前期研究成果[1].

2.2　偏振光趣味实验内容的改进设计

趣味性实验内容设计是新实验系统改进设计中的另一重要任务，主要集中在光源、光学信号接收和趣味性偏振光学模块3部分.

1)光源模块. 用可切换的白炽灯光源和固体激光双光源替代He-Ne气体激光器,可减小激光光源模块的体积和质量，提高空间利用率. 双光源设计可以提供单色和连续光源，使实验演示现象更丰富，表现力更佳.

2)光学信息接收模块. 系统采用日本滨松公司生产的S2387-33R型PIN光电二极管对进行光信号探测，并以抗干扰能力强的超低偏置电流差动运算放大器OPA129组成差分运放电路进行信号处理，可很好地滤掉背景光和光电二极管中暗电流的影响，如图3所示[10].

1.立柱　2.水平轴驱动步进电机　3.内置白光与激光可切换光源　4.偏振片　5.载物台　6.偏振片　7.内置CCD摄像头　8.竖直轴驱动步进电机　9.联轴器10.微处理器模块　11.开关电源模块　12.步进电机驱动模块　13.底座图2　偏振光实验系统内部结构组成

图3　双PIN光电二极管组成的前置放大电路和差分运放电路

3)在载物台上搭载不同的偏振光光学模块，可实现偏振光补色、光弹效应、克尔效应和旋光效应等的演示，丰富和拓展偏振光学实验内容.

3偏振光学趣味实验的设计与实现

3.1　偏振光补色实验的演示

如图4(a)所示，白光光源经过偏振片P1和P2时，分解出o光和e光，并产生确定的相位差φ1+φ2. 在透过厚度为d的透明介质P3时，o光和e光在介质中的传播速度不一致，将产生光程差(no-ne)d. 而偏振片P2还将对透射光进行过滤，只有振动方向与偏振片透光轴方向一致的分量才能通过. 由以上分析可知，光束经过偏振片P2后的o光和e光满足相干光的3要素，可在屏上形成干涉条纹. 其中，o光和e光传播过程中产生的相位差为：

(2)

式中，λ为入射光的波长，no和ne分别为o光和e光在透明介质中的折射率，d为光传播方向上透明介质的厚度，φ为两偏振片上产生的附加相位差之和.

(a)偏振光补色原理

(b)白光照射下的冰晶偏振光干涉条纹图4　偏振光补色实验

单色光入射时，若透明介质厚度均匀，则相位差恒定，屏上光强均匀分布；旋转偏振片，其附加相位差改变，屏上光强度改变. 白光入射，光波波长在一定范围内连续变化，若透明介质厚度分布均匀，则依(2)式可知白光中的某一波长的光会因满足干涉相消条件而呈现它的互补色，这就是偏振光补色现象[5-6]. 若改变透明介质的厚度或转动偏振片，相位差的改变将使得屏上色彩随之变化. 若使用的透明介质为厚度不均的劈尖时，单色光入射，屏上出现干涉条纹；入射光为白光，则形成彩色条纹. 据此，可根据彩色条纹的变化来检测透明介质厚度的微小变化. 图4(b)为演示实验中处于白光照射下的冰晶偏振光干涉条纹，不同的色彩纹条分布表明了冰晶不同位置的微小厚度差异.

3.2　光弹效应的演示

许多各向同性透明介质(包括固体、液体和气体)在某些外加条件(如应力)的影响下会产生各向异性，即光在透明介质中的不同方向上折射率n会有所不同，从而出现应力双折射现象(也称光弹效应)[7]. 如图5所示，将各向同性的透明塑料工件放置在两透光轴方向相互垂直的偏振片之间，在工件上施加作用力，则在屏上可观察到光弹效应形成的干涉条纹，且应力越集中，条纹越密集. 在工程上，光弹效应可用于检测工件的应力分布情况.

(a)光弹效应组成示意图

(b)光弹效应纹样图5　光弹效应演示实验

3.3　克尔效应的演示

某些各向同性的透明介质(如非晶体和液体)，在外电场的作用下，也显示出双折射现象，称为克尔效应(2次电光效应)[8]. 如图6所示，外接直流高压电源的电容器浸泡于各向同性的溶液(如硝基苯，C6H5NO2)中，光通过电容器两极板间的电场，偏振片P1和P2的透光轴方向相互垂直. 不加电场时，透明介质各向同性，偏振片P2后无光出射；外加电场时，偏振片P2后有光出射. 出射光强随外加电场的变化，表明透明介质受到电场作用时产生了克尔效应. 由于克尔效应中的电光转化响应几乎没有惯性(响应时间τ<10-9s)，故偏振光的偏振态将与电场作同步变化，实现电—光的同步调制，可用于通讯工程上的电光讯号转换. 在现实中，为实现电光调制器件的小型化和降低功耗，常使用KH2PO4(KDP)和NH4H2PO4(ADP)等电光晶体替代液态介质.

图6　克尔效应实验原理图

3.4　旋光效应与量糖术的演示

线偏振光通过某些物质后，其偏振面将以光传播方向为轴线偏转过一定角度，这种现象称为旋光现象[9]. 图1中将石英晶片(透明介质P3)放入透光轴方向相互垂直的偏振片P1和P2之间，并使晶片的光轴与入射光的偏振方向相一致，屏上光斑将由暗变亮. 表明光在经过石英晶片时其偏振面旋转了一定的角度，即石英晶体产生了旋光现象. 蔗糖、果糖等溶液也具旋光性质，且旋转角度的大小、方向与溶液的性质、浓度(C)以及光通过的距离(d)有关：

θ=[α]Cd,

(3)

其中，[α]为旋光率，与旋光介质的性质、温度及入射光的波长有关. 工业上，常根据式(3)测量旋光溶液的浓度，这就是量糖术.

实验演示中用1根带有平行平面窗口且管内充满待测糖溶液的玻璃管代替图1中的石英晶体，并由单片机控制下的步进电机带动偏振片P2绕光轴旋转，获得通过偏振片P2后的透射光强变化曲线. 观察和对比不同溶液装入前后的正余弦曲线的振幅和相位变化(如图7中曲线Ⅰ和Ⅱ所示)，可以直观地得到偏振光通过旋光溶液时的相位偏移量(即旋光角θ)及偏移方向(左旋或右旋溶液的判别标准). 据此，根据式(3)即可测定糖溶液的浓度.

图7　旋光效应演示

系统以波长为632.8 nm的激光应用于蔗糖水溶液的浓度测定. 20 ℃环境下，查得蔗糖水溶液的旋光率为64.00°/(dm·g·cm-3)，测得管长为2.00 dm. 在未放待测溶液时，步进电机带动检偏器P2旋转2周，获得透射光强变化曲线Ⅰ. 保持起偏器和光源的强度、透射方向不变，在管中加入待测溶液，重复上述操作，得到透射光强变化曲线Ⅱ. 导出两测量曲线中数据极小值点附近的旋转角位置数据和对应光强数据，如表1~2所示.

表1　未加待测溶液时旋转角位置与

表2　加入待测溶液时旋转角位置与

对2条曲线的极小值附近的数据点采用最小二乘法处理[9]，分别求得曲线Ⅰ和Ⅱ在最小值处对应的相位差偏移量为179.426°和156.523°，即旋光角θ≈22.90°. 由此，可计算出蔗糖溶液的浓度为C=0.179 g/cm3. 测得结果与标准值相比求出相对偏差为

以上计算均可在STM32F103微处理器中由程序自动处理完成.

4趣味性偏振光实验系统的实现

根据上述设计内容进行实验系统的开发与制作，系统的实物外观和内部结构如图8所示. 在经历过多次的反复实验和改进后，系统的处理核心也由最初的STC12C5A60S2升级到性能更为强大的STM32F103，能更好地满足不同趣味实验演示模块演示过程中的数据处理需求.

(a)外观

(b)内部结构图8　偏振光实验仪系统

5结束语

偏振光实验新系统与原系统相比，演示效果的趣味性得到了提升，同时还兼顾到了课堂辅助教学仪器的便携性和快速演示的需求. 经实地试用，结果表明改进后的趣味性偏振光实验演示系统对帮助学生认识光的本质和深入了解光与物质的相互作用规律有着积极的提升效果.

参考文献：

[1]王佩祥，王坤，喻秋山，等. 偏振光实验系统的改进[J]. 物理实验，2015，35(6)：19-22.

[2]刘建一，王旎菡，李思嘉，等. 多功能偏振光演示仪在教学中的应用[J]. 物理实验，2014，34(10)：41-44.

[3]苗青杰，潘孙强，刘斌，等. 自然双折射晶体中热致双折射效应的研究[J]. 光学学报，2015，35(12)：0626001.

[4]谭晓春，祝云峰，曲胜艳. 光的偏振现象演示仪[J]. 物理实验，2013，33(3)：18-20.

[5]谢欣，吕景林. 胶带的色偏振原理及其在演示实验中应用[J]. 实验室研究与探索，2012，31(6)：47-50.

[6]尹鑫,王继扬,张少军. 旋光晶体在偏光干涉实验中电光效应的研究[J]. 光学学报，2003，23(12)：1484-1488.

[7]李春艳. 玻璃内应力高精度检测技术的研究[D]. 西安：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)，2015.

[8]李长胜. 双横向电光克尔效应[J]. 光学学报，2009，29(6)：1671-1674.

[9]章博. 基于旋光效应的糖浓度检测[D]. 哈尔滨：黑龙江大学，2007.

[10]王晓曼,王彩霞,赵海丽,等. 光电检测与信息处理技术[M]. 北京：电子工业出版社,2013：178-226.

[责任编辑：郭伟]

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

通讯作者：喻秋山(1977-)，男，湖南宁乡人，长江大学物理与光电工程学院讲师，硕士，研究方向为光电材料与器件应用.

作者简介：王佩祥(1992-)，男，湖北黄冈人，长江大学物理与光电工程学院2011级本科生.

收稿日期：2015-08-13；修改日期：2015-10-18

中图分类号：O436.3

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)02-0037-05