用光強(qiáng)分布測(cè)試儀驗(yàn)證馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)研究_圖文

1、 第27卷第1期2008年1月實(shí)驗(yàn)室研究與探索RESE ARCH AND EXP LORATI O N I N LABORAT ORYVol . 27No . 1Jan . 2008用光強(qiáng)分布測(cè)試儀驗(yàn)證馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)研究張飛剛, 蔡建樂(lè), 胡樹(shù)基(杭州師范大學(xué)理學(xué)院, 浙江杭州310018摘要:對(duì)用W GZ 2型光強(qiáng)分布測(cè)試儀驗(yàn)證馬呂斯定律的實(shí)驗(yàn)誤差做了仔細(xì)的分析和研究, 指出了其在設(shè)計(jì)思路、元件配置、實(shí)驗(yàn)過(guò)程等方面的不足, 并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法和正確的操作步驟, 從而使該儀器的驗(yàn)證結(jié)果和理論值一致的程度有了明顯提高, 達(dá)到了定量檢定的目的和要求。關(guān)鍵詞:WGZ 2型光強(qiáng)分布測(cè)試儀; 馬呂斯

2、定律; 誤差分析中圖分類(lèi)號(hào):O4233, O436. 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-7167(2008 01-0029-03Re sea rch on the App li ca ti o n of Li ght I ntensity Equi p m enti n the Ma l us Law Expe ri m entZHAN G Fei 2gang, CA I J ian 2le, HU S hu 2ji(College of Science, Hangzhou Nor mal Abstract:The err ors of the Malus la w experi m en

3、t equi pment were investigated and an 2alyzed, the shortco m ings in the equi correct method was made . Key words:light err ors analysisCLC nu m ber:O4233, ocu m en t code:A Arti cle I D :1006-7167(2008 01-0029-031引言驗(yàn)證馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)是學(xué)生對(duì)光的偏振特性進(jìn)行定量分析的主要內(nèi)容之一, 精確地驗(yàn)證結(jié)果可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)偏振光的認(rèn)識(shí), 加深學(xué)生對(duì)光的偏振現(xiàn)象的理解, 也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究晶體

4、光學(xué)和許多重要光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。然而, 由于實(shí)驗(yàn)儀器配置、操作方法等原因的限制, 使該實(shí)驗(yàn)往往停留在定性觀察階段, 其結(jié)果達(dá)不到定量比較的目的。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中, 只有極少數(shù)教材把定量驗(yàn)證馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)列為單獨(dú)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。本文以W GZ 2型光強(qiáng)分布測(cè)試儀為實(shí)驗(yàn)器材, 對(duì)影響馬呂斯定律驗(yàn)證的主要誤差因素作出分析, 為定量研究光的偏振現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量方法上的探討, 使極小角度的變化都能被馬呂斯定律所驗(yàn)證, 取得較好的效果。2實(shí)驗(yàn)原理馬呂斯定律指線偏振光矢量振動(dòng)方向與檢偏器的透光軸方向夾角為時(shí), 透過(guò)檢偏器的光強(qiáng)I 滿(mǎn)足公式:I =I 0cos 2(1如圖1所示, 起偏器P a 產(chǎn)生一線偏振光, 強(qiáng)度為

5、I 0, 其透振方向?yàn)镸M , 通過(guò)檢偏器P b 后, 按照馬呂斯收稿日期:2007-01-19基金項(xiàng)目:浙江省新世紀(jì)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(yb05064 ; 杭州師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(200607com定律其透射光強(qiáng)為I =I 0cos 。為了定量地檢測(cè)透射光強(qiáng)的大小, 在P b 后放一光電池, 根據(jù)光電池的輸出電流i 與透射光強(qiáng)大小I 成正比的關(guān)系, 可知光電池輸出電流為i =k I(222通信作者:蔡建樂(lè)(1954- , 男, 湖南益陽(yáng)人, 杭州師范大學(xué)教授, 碩士導(dǎo)師, 主要從事理論物理及物理課程與教學(xué)論研究。Tel:0571286845626; E 2mail:caijia

6、nleyahoo . com. cn(2 易知由(1 、i =i 0cos (3其中i 0=kI 0。因此, 光電池的輸出電流i 與偏振片的 30實(shí)驗(yàn)室研究與探索4. 2光強(qiáng)減弱第27卷透振方向夾角為余弦平方關(guān)系 。圖1馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)原理圖不同的硅光電池由于感光面積和制造工藝的不同造成其特性有很大的差異, 所以在使用光電池進(jìn)行光照強(qiáng)度測(cè)量時(shí), 必須先找出光電池的輸出電流隨光強(qiáng)1變化的線性度最好的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)中, 使用W GZ 2型光強(qiáng)分布測(cè)試儀自身所帶的2DR20型硅光電池, 受光面積為100mm , 選用JG Q 2250型氦氖激光器, 其輸出功率可分為3檔, 最大輸出功率為3. 9W 。實(shí)驗(yàn)

7、發(fā)現(xiàn), 當(dāng)選用不同的輸出功率時(shí), 隨著硅光電池接收光強(qiáng)的不同, 其輸出電流引起數(shù)字檢流計(jì)變化的靈敏程度不同。當(dāng)光強(qiáng)過(guò)大時(shí), 硅光電池的輸出電流達(dá)到近飽和狀態(tài), 其引起數(shù)字檢流計(jì)讀數(shù)的變化極小, 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大誤差; 而光強(qiáng)過(guò)小時(shí), 不利于光信號(hào)的接收。實(shí)驗(yàn)中將JG Q 2250型氦氖激光器置于第一檔, 通過(guò)在起偏器P a 前放置分光鏡的方法減小入射光強(qiáng)的大小, 反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)WJF 型數(shù)字式檢流計(jì)示數(shù)在0. 0419. 99A 間變化時(shí), 光電池的輸出電流隨光強(qiáng), 。時(shí), 角度準(zhǔn)確性是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要因素。W GZ 2型光強(qiáng)分布測(cè)試儀所帶的起偏檢偏裝置固定以90°和270

8、76;分別為透光極大和消光位置往往是有偏差的, 再加上光電探測(cè)器對(duì)微弱光強(qiáng)的接收能力、硅光電池的響應(yīng)時(shí)間和電源電壓的波動(dòng)等影響, 當(dāng)起偏器和檢偏器夾角在某一數(shù)值上下2°范圍內(nèi)變化時(shí), 數(shù)字檢流計(jì)示數(shù)幾乎無(wú)明顯變化, 這就要求在實(shí)驗(yàn)中要對(duì)檢偏器消光位置(起偏器和檢偏器透振方向相互垂直 做出準(zhǔn)確的判斷, 以得出角度改變大小的準(zhǔn)確值。在實(shí)驗(yàn)中, 采用角度左右逐次逼近的方法來(lái)確定消光位置(見(jiàn)圖4 , 首先旋轉(zhuǎn)偏振片P a , 使數(shù)字檢流計(jì)示數(shù)最小, 記下位置1, 繼續(xù)旋轉(zhuǎn)P a 至1位置, 出現(xiàn)光強(qiáng)極大值; 反向旋轉(zhuǎn)P a , 消光位置出現(xiàn)在位置2處,23實(shí)驗(yàn)儀器W GZ 2型光強(qiáng)分布測(cè)試儀

9、配有起偏、檢偏裝置和光電探頭及數(shù)字檢流計(jì), 可以在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)方便地調(diào)整檢偏器轉(zhuǎn)角, 實(shí)驗(yàn)光路如圖2所示 。12激光電源22JG Q 2250型氦氖激光器32擴(kuò)束鏡及準(zhǔn)直光管42起偏檢偏裝置52光電探頭62WJF 型數(shù)字式檢流計(jì)圖2W GZ 2型光強(qiáng)分布測(cè)試儀裝置簡(jiǎn)圖4誤差分析及對(duì)策4. 1系統(tǒng)準(zhǔn)直W GZ 2作在一個(gè)裝置中, 角的大小和光電流的測(cè)量, 但實(shí)驗(yàn)中檢偏器是固定的, 調(diào)整的實(shí)際上是起偏器, 這就對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)直提出更高的要求, 實(shí)驗(yàn)中入射激光束必須嚴(yán)格垂直入射偏振片P a , 而該光強(qiáng)分布測(cè)試儀本身并沒(méi)有系統(tǒng)準(zhǔn)直的標(biāo)準(zhǔn), 在實(shí)驗(yàn)中去除檢偏器P b , 發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射光束和偏振片

10、P a 不完全垂直時(shí), 偏振片P a 旋轉(zhuǎn)一周其透射光強(qiáng)有很大的變化, 檢流計(jì)的數(shù)值從99. 1變化到167. 6, 即其透射光強(qiáng)I 0發(fā)生較大的變化。這樣當(dāng)加上偏振片P b 進(jìn)行測(cè)量時(shí), 旋轉(zhuǎn)的又是起偏器P a , 必然對(duì)驗(yàn)證結(jié)果帶來(lái)較大的實(shí)驗(yàn)誤差。實(shí)驗(yàn)中采用了系統(tǒng)自準(zhǔn)直法, 首先通過(guò)平移和升降調(diào)節(jié), 使激光束全部通過(guò)P a 正中的透光部分而達(dá)到硅光電池的接收面積中心, 再旋轉(zhuǎn)P a , 使產(chǎn)生的反射光投射回到激光器垂直面上, 使反射光斑基本與出射光斑重合, 如圖3所示, 這表示P a 的光學(xué)面同激光束垂直 。圖3反射光斑示意圖圖4角度逐次逼近示意圖 第1期張飛剛, 等:用光強(qiáng)分布測(cè)試儀驗(yàn)證

11、馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)研究31與之對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)極大值在位置2處; 反復(fù)測(cè)量會(huì)發(fā)現(xiàn)消光和光強(qiáng)極大值分別在和之間反復(fù)出現(xiàn)。因此, 取角平分線的角度值即為消光的最佳位置。4. 4公式修正由實(shí)驗(yàn)原理可以看出, 馬呂斯定律是在假設(shè)偏振片為理想偏振片這一基本前提下成立的, 即它可讓某一方向的振動(dòng)的光完全透過(guò)而將與之正交的振動(dòng)完全吸收。但是, 實(shí)際偏振片并不能完全如理想偏振片那樣, 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 偏振片對(duì)垂直于透振方向的光振動(dòng)仍有少量通過(guò)。當(dāng)P a 和P b 的透振方向互相垂直時(shí), 透射光強(qiáng)度并不等于零, 只是此時(shí)的I 最弱; 當(dāng)P a 和P b 的透振方向平行時(shí), 透射光最強(qiáng)?？紤]到上述偏振片起偏特性不完善的因素以

12、及環(huán)境光的影響, 馬呂斯定律應(yīng)修正為:2I -I =(I 0-I co s i 、i 分別為兩偏振片的透振方向間成0°、和90°時(shí)的光電流, 則有i -i =(i 0-i co s 24. 5其他因素的影響實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 某些硅光電池在連續(xù)受光的情況下, 數(shù)字檢流計(jì)的讀數(shù)隨時(shí)間的增加而上升的趨勢(shì)比較明顯, 這也是造成實(shí)驗(yàn)誤差的原因之一, 尤其是在角度變化較小范圍內(nèi), 誤差比較明顯。因此, 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡可能縮短每一次的實(shí)驗(yàn)時(shí)間, 采用在不讀數(shù)時(shí)進(jìn)行擋光的方法, 以減小實(shí)驗(yàn)誤差。另外, 激光器輸出功率不穩(wěn)定、雜散光的影響等對(duì)該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都將帶來(lái)或多或少的影響。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)對(duì)上述誤

13、差結(jié)果的分析和實(shí)驗(yàn)中規(guī)范的操I(mǎi) 表示P a 和P b 的透振方向互相垂直時(shí)透射光強(qiáng)度, 作, 得到了驗(yàn)證馬呂斯定律的多次測(cè)量結(jié)果, 取不同時(shí)I 0表示P a 和P b 的透振方向平行時(shí)透射光強(qiáng)度; 設(shè)i 0、間測(cè)量的10組數(shù)據(jù)記錄如下(見(jiàn)表1(i /A 表1光強(qiáng)分布儀的i 實(shí)測(cè)值序號(hào)103. 2704. 9826. 4097. 8. 4609. 51911. 9715. 2117. 92203. 0804. 6886. 8677. 8278. 88511. 2214. 2816. 67302. 5915. 8236. 2286. 8937. 7089. 62412. 4314. 56403.

14、4. 0064. 4424. 7975. 2025. 8407. 5609. 41911. 1/(°502. 8803. 1873. 4663. 7224. 1805. 1716. 7507. 980601. 4521. 8622. 0082. 2162. 3312. 6033. 2084. 2435. 0020. 45410. 68600. 93821. 0461. 1961. 1971. 3241. 6072. 2002. 688800. 13560. 20110. 26500. 29820. 30120. 33700. 39060. 46320. 60400. 7063900.

15、 02170. 02200. 03150. 04030. 03820. 03260. 04070. 03380. 02850. 03093. 3145. 0086. 4867. 2307. 6648. 5249. 61012. 0315. 3718. 09從對(duì)表中數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn), 誤差基本上和旋轉(zhuǎn)角度成正比, 這與實(shí)驗(yàn)中硅光電池接收光的能力及光, 實(shí)驗(yàn)心位置有關(guān), 兩偏振片夾角不太大時(shí)(小于50°誤差較小(誤差小于9. 65% 。所以驗(yàn)證馬呂斯定律時(shí), 角度值的選取不應(yīng)太大。同時(shí)發(fā)現(xiàn), 當(dāng)兩偏振片夾角大于60°時(shí), 利用3. 4中公式修正前后實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差變化明顯, 例如在=80°時(shí), 第一組數(shù)據(jù)中修正前相對(duì)誤差為35. 5%, 而修正后相對(duì)誤差降低為14. 6%, 說(shuō)明當(dāng)兩偏振片夾角較大時(shí), 實(shí)驗(yàn)中兩偏振片2姚啟鈞. 光學(xué)教程M.北京:高等教育出版社, 1981:3042340. 3黃建群. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M.成都:四川大學(xué)出版社, 2005:2712282.4張訓(xùn)生. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M.杭州:浙江大學(xué)出版社, 2004:1162221.5耿海翔, 唐臻宇. 光電池特性測(cè)量?jī)x的研制J .成都大學(xué)學(xué)報(bào),2005, 24(