全自动偏振光实验仪

杨 睿，胡海涛

(南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

当自然光在两种各向同性电介质的分界面上反射时，一般情况下反射光为部分偏振光。当反射光线为线偏振光(振动方向垂直于入射光线和法线组成的平面)时，光线的入射角为布儒斯特角。传统测定布儒斯特角的方法为通过手动调节入射角大小并且人眼在反射光一侧透过偏振片进行观察，当光线最暗时，入射角即为布儒斯特角。对于布儒斯特角和偏振光已有很多文章进行研究[1-11]。基于传统测定布儒斯特角的方法的基本原理，设计了一种全自动偏振光实验仪。本文提出的方案无须通过手动操作，也无须通过人眼观察光强变化，自动运行测量出反射介质的布儒斯特角并且演示出当入射角为布儒斯特角时反射光的偏振特性。可作为大学物理实验的一种教学演示。

1 实验装置和实验原理

1.1 实验装置

图1给出了实验装置的结构示意图。实验装置中：光源放在左侧支架上。偏振片，接收管，光强计构成光线接收装置。偏振片与光强计分别位于接收管两侧中心。接收管构造出暗室，避免外界自然光线对光强计读数产生干扰。电机3镶嵌在光线接收装置后侧，控制偏振片360°旋转。电机1置于仪器中央底部，电机1的转动轴与转盘相连，控制转盘转动。电机2置于转盘中央，转动轴与玻璃板相连，控制玻璃板转动。

(a)

(b)图1 装置结构示意图(a)及实物图(b)

1.2 布儒斯特角的测量

设光线入射角为i，入射光所在介质折射率为n1，折射光所在介质折射率为n2。

当入射角i改变时，反射光的偏振化程度会随之改变，反射光的光强大小也会随之改变。

因此，只要测量不同入射角度对应的反射光光强大小，比较出最小值就可以得出，光强最小值对应的入射角度即为布儒斯特角。

1.3 实验原理

启动仪器后，仪器自动调整至入射角为70.00°。光源发出光线入射在玻璃板上，并且反射光线射入光线接收装置。光强计读取当前角度反射光光强值。

每次仪器转动，电机1驱动转盘顺时针旋转1.00°，电机2驱动玻璃板逆时针旋转0.50°，则入射角每次减小0.50°。光强计获取此入射角度下反射光线的光强大小。

仪器多次转动，并且每次转动后获取当前入射角度的反射光光强大小，直至入射角为20.00°后，将获得的不同入射角度下的反射光光强数据在上位机内进行对比，找出光强最小值对应的入射角度，此入射角度即为布儒斯特角。

仪器自动调整值入射角为布儒斯特角。此时，反射光为线偏振光。电机3开始驱动偏振片旋转一周，且每旋转1°，光强计读取一次光强值。根据马吕斯定律：设入射到检偏器上的线偏振光为i0，检偏器的偏振化方向与入射线偏振光的光矢量振动方向为θ，则透过检偏器后线偏振光的光强为：I=i0cos2θ。因此，观察实验数据，可以得到偏振片旋转一周，光强计采集的360个光强值，会呈现两次最大光强值和两次最小光强值。

2 实验数据和结论

实验采用玻璃板的折射率n2=1.50；

空气折射率n1≈1.00；

不同入射角对应的反射光强曲线如图2：

图2 不同入射角反射光线光强变化曲线图

图2中，当入射角为55.50°时，测得的反射光光强最小；因此实验玻璃板的布儒斯特角为布儒斯特角i：55.50°。

△i=|i-ib|=0.81°；

入射角是布儒斯特角时，反射光的偏振特性如图3：

图3 布儒斯特角下反射光的偏振特性曲线图

图3中，横坐标为偏振片旋转角度；纵坐标为光强值，单位为lux。

图3中，偏振片顺时针旋转90°，反射光光强值由大变小；再度顺时针旋转90°，光强值由小变大；重复出现。偏振片旋转一周，获取的360个光强值中有两次最大、两次最小。满足马吕斯定律。

从数据处理结果来看，布儒斯特角的实验值与理论值的相对误差很小；且布儒斯特角下反射光的偏振特性与理论相符。因此，实验方案可行。

3 结 语

基于传统测定布儒斯特角方法的基本原理，通过比较反射光光强大小，设计了一种全自动偏振光实验仪。结果表明，测得的布儒斯特角相对误差较小，并且直观演示出布儒斯特角下反射光的偏振特性，因此，实验方案是可行的。另一方面，提出的方案无须烦琐的人工操作，因此可以作为演示实验的一种，将学生的思考方向转移到原理上。