将分光计改造成偏振实验平台

平 澄，所广斌

(北京师范大学 物理学系，北京 100875)

将分光计改造成偏振实验平台

平 澄，所广斌

(北京师范大学 物理学系，北京 100875)

将分光计改造成偏振实验平台，用3D设计图较为形象地展示主要实验器件的设计思路，改造后偏振实验平台可以做起偏、检偏、布鲁斯特角、波片性能、玻璃堆起偏、旋光、液晶物性等与典型偏振实验.

分光计;偏振实验;马吕斯定律;布鲁斯特角;波片;旋光;液晶物性

光的偏振现象是光学教学的重要内容，也是较难的部分，必须辅以实验帮助学生理解，目前高校的偏振实验基本上都是以定量测量为主，测量的重点是角度，北京师范大学物理学系先后从2个生产厂家购买过数套偏振实验装置，但普遍存在着测量精度低、不容易扩展实验内容、学生搭建光路时元器件固定不牢、容易产生晃动、等高共轴不容易调节等问题，最终导致测量数据不理想.

分光计是经典的光学测角仪器，其特点是成熟、可靠，实验结果精度高，高校的光学实验室都有此设备. 把分光计改造成偏振实验平台应该是不错的选题，经过尝试，取得了比较理想的结果，实现了在分光计上做一系列偏振实验，包括验证马吕斯定律、测量布鲁斯特角、半波片和λ/4波片的应用、玻璃堆起偏、液体的旋光性、液晶物性等.

1)分光计的改造，把入射狭缝、准直管出射透镜、望远镜入射物镜、目镜、载物台上可调节水平的上层平台等分光计上与偏振无关的零件拆下.

2)实验用光源有2个：一个是白色LED光源，用于验证马吕斯定律及测量布鲁斯特角、玻璃堆起偏测量及观察偏振光干涉现象；另一个是波长650 nm的半导体激光器，用于半波片和λ/4波片、液体的旋光性、液晶物性实验. 每个光源单独制作1个套筒，将其直接插入望远镜筒中，并且可以共用相同电源. 白色LED光源参量是12 V，3 W，半导体激光器的参量是3 V，10 mW，为共用12 V/1 A稳压电源，激光器需加分压电路，最好再加积分电路使加在激光器上的电压逐渐上升保护激光器，因为电路简单原件少，电路可以直接放入套筒中，装置如图1所示，材料为尼龙.

图1 光源装置

3)偏振片的制作与放置，偏振片放置在图2所示的位置，应将偏振片的转动部分设计得尽量薄，这样可增加载物台上放置器件的空间.

图2 起偏器、检偏器的位置

为使偏振片转动灵活，使用了薄壁轴承，偏振片的刻度盘采用激光雕刻，其刻度线清晰，精度高(最小分度1°)，结构如图3所示.

图3 偏振片旋转装置的组成结构

4)玻璃反射起偏和玻璃堆透射起偏. 用分光计做偏振实验的优势是它的载物台旋转灵活、精度高，可以与游标盘锁定后一同旋转，去掉载物台调平螺丝和可调升降的平台后，可看到载物台中心孔和边缘上的孔，为防止操作时待测器件在平台上移动，可利用这2个孔做为放置待测器件的定位固定孔.

测量布鲁斯特角的玻璃用1片载玻片，测量玻璃堆起偏大约用50片盖玻片，为它们分别做固定架，并放置在分光计的载物台上，如图4所示.

图4 载物台上放置待测器件

5)波片性能实验. 做2个波片旋转架，一个装半波片，另一个装λ/4波片，要将架子定位在载物台上，波片可360°旋转. 旋转部分与偏振片架的旋转部分的尺寸、结构尽量相同，这样既通用又可节约加工成本，设计结构如图5所示.

图5 波片旋转装置的组成结构

6)偏振光干涉现象的观察. 可让学生用塑料纸做成厚度不均匀的形状，放在载物台上，也可用力施加放在载物台上的薄有机玻璃上. 光源用白色LED，经起偏器照到载物台的样品上，转动检偏器，在望远镜出射孔处可观察到不同波长偏振光干涉产生的颜色变化.

7)液体旋光实验. 使用长度为100 mm的旋光管，只需为其做个简单的架子放到载物台上，如图6所示，光源用半导体激光. 实验时学生自己配制不同浓度的糖水溶液，观察其旋光性并测量溶液浓度.

图6 旋光管架

8)液晶物性. 实验用向列相液晶光阀，通过调节外加电压的大小可以改变液晶光阀的透光率，由此研究液晶物性和液晶屏的显示原理. 成品的液晶光阀前后表面都贴有偏振片，应将其部分或全部揭去，用起偏器和检偏器代替其功能，实验主要内容为：测量液晶的扭曲角、液晶电控双折射效应、液晶响应时间测量.

图7 液晶盒的结构

设计的液晶盒如图7所示，液晶上的偏振片有一半被揭去，另一半保留，这样做的目的是：用揭去部分研究液晶物性，保留部分让学生了解液晶板成品的结构、前后偏振片的偏振方向等；还有一部分是完全透光的，用于与光穿过液晶板后的性质进行比较. 将液晶板固定在液晶盒里，液晶盒固定在滑轨上，然后整体放置到载物台上，液晶板在滑轨上移动，就可以观察和测量液晶的不同部位.

9)光电传感器及测量装置. 光电转换装置安装在望远镜的出射孔上，为精确测量，需选用灵敏度较高的光电传感器，使用硅光电池，光电流需经放大和去噪后用数字电表显示；也可以购买成的激光功率计，如SANWA激光功率计(测量范围为0.01 μW～40 mW)，可以胜任测量任务.

在此需要说明的是，测量布鲁斯特角需要使用白屏接收玻璃的发射光，并用眼睛观察，而不是用光电接收装置测量光电流，这是因为当玻璃的反射角为布鲁斯特角时，反射光消失，导致用光电接收装置无法跟踪，很难找到准确位置. 测量原理是利用光的可逆性，可以很精确地测得布鲁斯特角，具体操作为：将待测玻璃放到载物台上，将载物台与游标盘联动，外刻度盘锁定，转动偏振片和载物台，使得在白屏上看到的反射光消失，如图8(a)所示，标对应角度ψ1和ψ1′；再次转动载物台，改变待测玻璃的方向，使得白屏上的反射光再次消失，记下左右游标盘对应角度ψ2和ψ2′，如图8(b)所示. 布鲁斯特角θ为

(a) (b)图8 测量布鲁斯特角光路

利用分光计平台的灵活性，还可以进行更多的实验内容，如晶体的双折射现象、尼克尔棱镜起偏检偏等.

改造后实验装置的实验效果令人满意，与原仪器比较，改进后的仪器易于使用，且丰富了实验内容，降低了故障率，提高了实验精度. 利用该仪器可以分几个单元开设偏振光的系列实验.

[1] 曹慧贤. 普通物理实验[M]. 北京：北京师范大学出版社,2007：216-223.

[2] 赵凯华,钟锡华. 光学(下册)[M]. 北京：北京大学出版社,2000：165-212.

[责任编辑：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，江苏南京人，北京师范大学物理学系高级实验师，学士，从事实验教学与实验仪器研究开发.

O436.3

A

1005-4642(2017)03-0018-03

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文