基于Android手机的偏振光自动测量

李林鹏,杨 兰,东姝玮，杨胡江

(北京邮电大学 a.理学院;b.信息与通信工程学院，北京 100876)

基于Android手机的偏振光自动测量

李林鹏a,b,杨 兰b,东姝玮b，杨胡江a

(北京邮电大学 a.理学院;b.信息与通信工程学院，北京 100876)

利用Arduino uno单片机、步进电机以及智能手机自带的传感器等自制实验装置，实现了对光线强度、斯托克斯参量等的自动测量和数据实时处理，验证了马吕斯定律和不同的偏振光状态之间的转换与检验.

偏振光；Android手机；Arduino uno；斯托克斯参量；马吕斯定律

在传统的物理光学偏振光与波片实验中，主要通过人工调节仪器角度、人眼识别刻度获得数据，其过程繁琐、耗费时间长，同时数据量大且角度测量不够精确. 因此，本文对传统的实验系统进行了改造:借助手机传感器进行该实验，同时利用Arduino uno单片机、步进电机开发了基于Android的实验软件、自动旋转检偏器和基于手机光强传感器的测量装置. 该系统实现了通过软件控制检偏器的自动定向旋转，以及数据的自动采集、存储与实时处理，提高了实验操作的效率和测量数据的准确性[1-2].

1 实验原理

1.1 光的基本原理

光是横波，它的振动方向和传播方向垂直. 在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态. 光有5种偏振态，即线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、自然光和部分偏振光. 其中，椭圆偏振光可看作是2个沿同一方向传播的振动方向相互垂直的线偏振光的合成.

1.2 马吕斯定律

设2片偏振片透振方向之间的夹角为α，则透过检偏器的线偏振光的强度为[3]

I=I0cos2α,

式中I0为入射光的强度.

1.3 斯托克斯参量

单色平面光波的各种偏振态可以用斯托克斯参量(S0，S1，S2，S3)来表示，通过光的电矢量S分量振幅ES和P分量振幅EP与相位差δ和4个斯托克斯参量之间的关系(图1)，可以判断椭圆偏振光的偏振旋向[4-5].

图1 椭圆偏振各参量之间的关系

2 实验装置

实验装置如图2所示，包括532 nm绿色半导体激光器、起偏器、1/4波片、检偏器和光强探测器，与普通偏振光实验不同的是检偏器可用步进电机精确控制[6]，手动或自动旋转，光强探测器直接使用手机的光强传感器.

图2 实验装置图

检偏器的控制部分主要分为2个模块，分别为步进电机模块和蓝牙传输模块.

步进电机模块使用28BYJ-48步进电机，利用ULN2003驱动模块进行驱动，通过蓝牙模块接收到手机发送来的旋转角度指令，并将该角度传递给步进电机从而带动偏振片进行一定角度的旋转.

蓝牙传输模块是该装置中的重要模块，由Arduino单片机利用蓝牙模块与手机连接构成. 使用者在软件中输入旋转的角度，由该模块传递给步进电机，以控制偏振片旋转.

2.1 手机检测光强原理

目前，智能手机都带有光线感应器. 光线感应器是由2个组件即投光器和受光器所组成，利用投光器将光线由透镜聚焦，经传输至受光器的透镜，再至接收感应器，接收感应器将收到的光讯号转变成电信号，从而供系统读取该电信号的值.

手机软件测量光强原理：首先获得系统传感器服务许可，其次调用其中的光感器服务，监测光感器数据，同时在测量点读取光感器数据(单位为mV)，共读取10次光强值，去掉最大值和最小值，剩余的值求平均值，即为光强值. 得到该角度的光强值后，将数据储存至手机内存并做图.

在实验结束时，反注册，释放资源.

2.2 手机软件功能介绍

手机软件的工作模式分为2种：自动修改旋转偏振片角度与自主修改旋转偏振片角度. 通过对软件的操作，能够实现验证马吕斯定律，探究光的偏振态并判断椭圆偏振光的旋转方向. 实验时，软件默认为自动修改偏振片旋转角度.

当选择验证马吕斯定律时，手机会在0°～90°的范围内每隔10°向单片机发送1次旋转角度数据并由手机光线感应器得到光强数据，且将这些数据在直角坐标系内制图.

当选择观察不同偏振光性质时，手机会在0°～360°的范围内每隔2°向单片机发送1次旋转角度数据，并由手机光线感应器得到光强数据，最终将这些数据在极坐标系内制图. 对于椭圆偏振光，软件会自动计算斯托克斯参量[6],求得χ并由该参量χ判断椭圆偏振光的偏振旋向[4].

当选择自主输入旋转角度时，偏振片的旋转角度由使用者输入软件，手机会将该数据发送给单片机，其他原理与上述原理一致.

3 实验数据分析

3.1 验证马吕斯定律

图3的2条直线分别由本装置测的数据和手动测的数据拟合而成. 由手动测得的数据作图为过原点的直线，说明角度余弦值的平方和电流(光照)强度成正比关系，验证了马吕斯定律；由本装置测得数据作图为过y轴的直线，可以发现，除去环境光影响，角度余弦值的平方和电流(光照)强度成正比关系，验证了马吕斯定律.

图3 验证马吕斯定律数据作图

由Origin的数据分析得手动测量数据的直线拟合相关系数为r=0.997 3，本装置测量数据的直线拟合相关系数为r=0.999 8. 由本装置测得数据作图与手动测得数据的作图比较，可以明显地看出本装置测得的数据误差小于手动测量. 同时实验发现，该装置调整仪器、测量数据所需时间小于人工实验所需的时间，数据处理的速度也有很明显的优势.

3.2 不同偏振光的相对光强分布

通过偏振片每旋转一定的角度测得的光强作图，如图4所示，可以清晰地看到不同偏振态的相对光强分布. 由图4可以看出，两者的光强相对变化趋势基本一致，而且由本装置测得数据做出的光强分布图更符合圆偏振光的特性，较手动测量所得的光强分布图更准确. 同时，该装置测量的速度是手动测量的3倍以上，其高效性体现得尤为明显.

图4 圆偏振光相对光强分布图

3.3 环境光强对实验结果的影响

经过大量实验，由所得数据可以看出，环境光强对实验数据的影响较明显，但对相对光强的影响在6%之内. 由于本实验只需要得到相对光强变化曲线，并不要求绝对光强，所以本装置可以满足需要，只需在进行多组实验时，避免其他激光源对手机光线传感器的影响.

4 结束语

搭建了基于Android平台的偏振光实验装置，该装置可高效、可靠地通过数字化的测量方式实现实验，提高了传统实验的效率与准确性. 同时，该实验装置结果显示直观清晰，性能稳定，手机的发展和普及也使该实验装置测量方便、准确，对今后物理学实验与互联网的结合与发展将大有裨益.

[1] 苏士田. 偏振光实验的改进[J]. 枣庄学院学报,2015,32(2):28-29.

[2] 郭平生,柴志方,崔璐,等. 手机APP系统在大学物理实验教学中的应用[J]. 物理实验,2016,36(11):28-31.

[3] 张三慧. 大学物理学(第四册)[M]. 北京：清华大学出版社，2001：220.

[4] 罗英达,陈哲. 偏振光斯托克斯参量测量原理与测量方法设计[J]. 激光与光电子学进展,2009,46(6):54-58.

[5] 王燕涛，姜凤贤，焦斌亮. 利用斯托克斯参量验证偏振光[J]. 物理实验，2011，31(12):20-23.

[6] 王娟. 单片机串口通信在物理实验中的应用[J]. 科技创新导报,2008(25):35-36.

[7] 冯伟伟. 光束偏振态的斯托克斯参及偏振度的智能化测量[D]. 曲阜：曲阜师范大学,2004.

AutomaticmeasuringdeviceforpolarizedlightexperimentbasedonAndroidmobilephone

LI Lin-penga,b, YANG Lanb, DONG Shu-weib, YANG Hu-jianga

(a.School of Science; b.School of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

The experimental device was set up based on an Arduino uno single-chip, a stepper motor and an Android mobile phone. Automatic measurement and real-time processing of intensity and Stokes parameters were realized, and the Malus law and the transformation between different polarization states were verified.

polarized light; Android mobile phone; Arduino uno; Stokes parameters; Malus law

“第13届全国高等学校物理演示实验教学研讨会”论文

2017-06-20；修改日期2017-10-12

北京邮电大学大学生研究创新基金项目(No.201710013038);北京邮电大学教改项目(No.

2017JY43)

李林鹏(1994-)，男，内蒙古呼伦贝尔人，北京邮电大学信息与通信工程学院2014级本科生.

指导教师：杨胡江(1976-)，男，四川乐山人，北京邮电大学理学院副教授，博士，主要从事物理实验教学与研究工作.

O436.3

A

1005-4642(2017)12-0029-03

任德香]