偏振光實驗用光強計的設(shè)計

田文秀 李宏敏

摘 要：利用硅光電池接收入射的偏振光，電流經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換和放大后，將電壓值在數(shù)顯電壓表上顯示。將光強計應(yīng)用在偏振光實驗中，較好地驗證了馬呂斯定律。該光強計有精度高、實用性強，可在其它大學(xué)物理實驗中推廣測光強。

關(guān)鍵詞：硅光電池；I/V轉(zhuǎn)換；光強計

1 設(shè)計思路

在大學(xué)物理實驗《偏振光試驗》中，測量光強是一項非常重要的內(nèi)容。在這個實驗中傳統(tǒng)的方法是采用中值微安計測量光電流，但是光電流為μΑ級，而且微安計為指針式，測量數(shù)值極不準(zhǔn)確，所得數(shù)值與理論值有較大出入【1-2】。我們擬設(shè)計硅光電池光強計，將反映光強大小的電流經(jīng)I/V 轉(zhuǎn)換后變?yōu)橐粋€放大的電壓信號，電壓信號再一次被放大后由數(shù)顯表頭顯示。主要原理圖如圖（1）所示。為了使顯示模塊正常工作，我們自制了+12V、-12V 的穩(wěn)定電壓為電源。

2 硅光電池光強計的設(shè)計

2.1 光電轉(zhuǎn)換探頭的選取

經(jīng)實驗對比光敏電阻、光電倍增管、光電二極管、硅光電池等元件特性，發(fā)現(xiàn)實驗室已有的硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換元件最適合.因為硅光電池在短路情況下輸出電流與照射光強大小嚴(yán)格成線性關(guān)系[3]，有

其它元件的輸出電流和照射光強是一種非線性關(guān)系，處理比較麻煩，而硅光電池短路電流的大小可直接反映出光強I的大小，由此可見用硅光電池做探頭是合適的。

2.2 轉(zhuǎn)換電路、放大電路設(shè)計原理

I/V轉(zhuǎn)換： 硅光電池受光照時輸出的電流很微弱，為此設(shè)計了如圖（2）所示的I/V轉(zhuǎn)換【4】、放大電路，電路如圖，硅光電池的正極接地，由運算放大器的“兩虛”性質(zhì)，硅光電池會在由硅光電池和運放組成的回路里面產(chǎn)生短路電流，在輸出端的電壓信號反饋電阻Rf為放大倍數(shù)。

因為運算放大器中具有輸入寄生電容Cin，Rf增大時會引起相位滯后及干擾振蕩，有效的方法是在放大器上并聯(lián)一個補償電容C，并聯(lián)的電容C具有相位超前的作用，進行超前相位補償，因此，相位滯后的Cin與可以相位超前的C可使電路穩(wěn)定。

電壓放大電路：由于I/V轉(zhuǎn)換電路的增益不能取得太大，I/V轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓不夠大，因此我們還需要給電路設(shè)計一個電壓放大的電路. 【4】如圖（3）所示，電路采用運算放大器組成的單級反相放大器，單級放大的倍數(shù)為倍.

2.3光強計整體電路設(shè)計

如圖（4）所示，硅光電池接在P1端口上，P3端口是用于供電的， P2端口接輸出接數(shù)字表頭。光照射硅光電池產(chǎn)生與光強成正比的電流，當(dāng)電流通過運算放大器TL084的時候，通過I—V轉(zhuǎn)換，把電流變成電壓。由于電壓很小，因此電路中設(shè)置了二級放大電路使電壓放大到可以檢測到的強度。滑動電阻器R5的設(shè)置，是由于測量的環(huán)境還有其他的背景光存在，為了消除背景光光強引起的誤差而加上了R5調(diào)零電路，以消除背景光的干擾。從第三級運算放大器來的電壓信號進入到第四級，第四級與第二級的作用大致一樣，第四級主要是進行阻抗匹配，使得輸出的擴展性變得更好。

3.實驗調(diào)試

3.1 實驗原理

我們將設(shè)計好的光強計應(yīng)用在偏振光檢測實驗中，見圖（5）、圖（6）。馬呂斯定律可以描述為 ：強度為

3.2 數(shù)據(jù)記錄與分析

以下是我們用改進后的裝置所得到的實驗數(shù)據(jù)：

利用計算機軟件（Excel）對偏振光實驗的測量數(shù)據(jù)進行分析處理，所得到結(jié)果和理論值非常接近，可以得到偏振光的光強和cos2α的線性關(guān)系。

4 結(jié)論

經(jīng)調(diào)試，本款自制的偏振光實驗光強計經(jīng)過實驗驗證有以下幾個特點：

（1）采用光電池作為光電轉(zhuǎn)換器件，光電池的光譜響應(yīng)范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高，線性響應(yīng)好，產(chǎn)生的微電流比較穩(wěn)定.

（2） 在偏振光實驗中，本光強計的測量結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確，比原有的中值微安計更準(zhǔn)確直觀。本光強計取材簡單，成本較低，可以推廣到光的衍射實驗、光電效應(yīng)等大學(xué)物理實驗中測量光強或者光電流。

參考文獻

[1]謝行恕.大學(xué)物理實驗[M].高等教育出版社

[2] 廖炎昌.驗證馬呂斯定律的實驗方法[J].物理實驗，21（6）：34-35.

[3]張瑋.硅光電池特性的實驗研究[J].實驗技術(shù)與管理，2009（9） ：43.

[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分（5版）[M].高等教育出版社，2006：.

[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分（5版）[M].高等教育出版社，2006：

[5]馬文蔚.物理學(xué)教程.下冊 [M].高等教育出版社，2002.7：107-108.

作者簡介：田文秀（1982年12月—），男，湖北蘄春人，碩士研究生學(xué)歷，講師，湖北大學(xué)知行學(xué)院大學(xué)物理主講教師。