利用数字示波器演示光学波片原理

廖艳林，赵 艳，谌正艮，侯 浩

(1.安徽大学 物理与材料科学学院，安徽 合肥 230039；2.安徽医科大学 物理系,安徽 合肥 230032)

偏振是电磁波的重要特性之一。迄今，偏振控制技术已在光信息处理、光学计量、光调制器、应力分析、光通信、光开关等方面有着广泛应用。光的偏振也是大学物理实验的一个重难点内容，特别是光学波片的工作原理[1-4]。由于光学波片的宏观现象源于微观结构，难以直观描述，因此，如何形象描述波片工作原理，提高光学波片教学质量就是一个值得思考的问题。围绕这一问题，杜嘉萍等人通过扩大实验流程，引导学生自主思考，从而确定偏振片以及波片光轴[5]。戴瑞等人将3只白炽灯排列呈正三角形对原有的实验光源进行改进，从而方便演示偏振光干涉以及光弹性效应[6]。另一方面，示波器可以直观观察电信号的波形、幅度和频率等参数，是一种用途极为广泛的电子设备。近年来，由于数字示波器的便捷性以及图形美观等特点，在各个领域快速替代了模拟示波器，大学物理实验教学中也在大力推行数字示波器使用。如果将数字示波器应用于光学波片原理演示，将有效提高数字示波器和光学波片的教学效果。

本文将数字示波器应用于光学波片原理教学，根据光学波片原理，调节两路电信号的相位差和幅度关系，实现四分之一波片和二分之一波片的演示。该实验教学不仅可以直观展示光学波片工作原理，也可以进一步熟练示波器的应用。

1 光学波片原理

如图1所示。

图1 o光和e光

光学波片一般为双折射晶体，偏振光垂直晶体的光轴入射，并分解为平行于光轴的e光以及垂直于光轴的o光，其振幅分别为：a=Asinθ(o光),b=Acosθ(e光)。θ是光轴与入射光偏振方向之间的夹角。o光和e光在晶体中的传播速度不同，一个线偏振光通过厚度为d的晶体后，他们之间的相位差为

(1)

这里d和λ分别是光程差、切片厚度和入射波长；另外，no和ne分别为o光和e光在晶体中的折射率。如果o光初相位为0，则为o光和e光的振动合成为：

(2)

这是一椭圆方程，且随着Δφ的不同椭圆度也不同。

另一方面，二分之一波片是o光和e光产生λ/2光程差。此时Δφ=π，出射光仍然为偏振光，且振动方向相对于入射光的振动面转过2θ角。

2 示波器演示

为演示波片原理，我们采用了一台固纬示波器(型号：2102EQ)，该示波器不仅可以显示波形，还可以同时输出2路相位相关信号。示波器的正弦信号输出调节为：option→任意波发生器→输出设置→输出(开)，源1设置→波形设置→频率(设定为100 Hz)。将源1设置的信号接CH1通道，再按照同样路径设定好源2，并将源2信号从CH2输入。将示波器显示进入李萨如图形模式，调节为：acquire→XY→开启XY。此时，XY轴类比为平行于光轴的e光以及垂直于光轴的o光。

(a)θ=0°

(b) θ=45°图2 二分之一波片

对于二分之一波片，我们设定源1和2的相位差为180°，通过衰减源2的幅度模拟入射光偏振方向与光轴夹角为0°，此时经过波片后的偏振方向与入射光偏振方向一致，示波器演示效果见图2(a)。将源1和2信号的幅度调成同等大小，即此时入射光偏振与光轴方向成45°夹角，可得到图2(b)效果，从图中可以看出，合成的仍然是一个线偏振，但是此时的振动方向已经相对于入射光振动方向旋转了90°，即当前振动方向为135°。

(a)θ=0°

(b) θ=45°图3 四分之一波片

我们设定源1和2的相位差为90°，同样通过衰减源2的幅度模拟入射光偏振方向与光轴夹角为0°，此时表明经过波片后的偏振方向与入射光偏振方向一致，演示效果见图3(a)。将源1和2信号的幅度调成同等大小，即此时相当于入射光偏振与光轴方向成45°夹角，可得到图3(b)效果，从示波器李萨如图可以看出，合成的振动是一个圆，即四分之一波片。

3 结 论

本文将数字示波器应用于光学波片原理教学，根据光学波片原理，调节两路电信号的相位差和幅度关系，实现四分之一波片和二分之一波片原理演示。该实验教学不仅可以直观展示光学波片工作原理，也可以进一步提高示波器实验教学效果。