將分光計改造成偏振實驗平臺

平 澄，所廣斌

(北京師范大學 物理學系，北京 100875)

將分光計改造成偏振實驗平臺

平 澄，所廣斌

(北京師范大學 物理學系，北京 100875)

將分光計改造成偏振實驗平臺，用3D設計圖較為形象地展示主要實驗器件的設計思路，改造后偏振實驗平臺可以做起偏、檢偏、布魯斯特角、波片性能、玻璃堆起偏、旋光、液晶物性等與典型偏振實驗.

分光計;偏振實驗;馬呂斯定律;布魯斯特角;波片;旋光;液晶物性

光的偏振現象是光學教學的重要內容，也是較難的部分，必須輔以實驗幫助學生理解，目前高校的偏振實驗基本上都是以定量測量為主，測量的重點是角度，北京師范大學物理學系先后從2個生產廠家購買過數套偏振實驗裝置，但普遍存在著測量精度低、不容易擴展實驗內容、學生搭建光路時元器件固定不牢、容易產生晃動、等高共軸不容易調節等問題，最終導致測量數據不理想.

分光計是經典的光學測角儀器，其特點是成熟、可靠，實驗結果精度高，高校的光學實驗室都有此設備. 把分光計改造成偏振實驗平臺應該是不錯的選題，經過嘗試，取得了比較理想的結果，實現了在分光計上做一系列偏振實驗，包括驗證馬呂斯定律、測量布魯斯特角、半波片和λ/4波片的應用、玻璃堆起偏、液體的旋光性、液晶物性等.

1)分光計的改造，把入射狹縫、準直管出射透鏡、望遠鏡入射物鏡、目鏡、載物臺上可調節水平的上層平臺等分光計上與偏振無關的零件拆下.

2)實驗用光源有2個：一個是白色LED光源，用于驗證馬呂斯定律及測量布魯斯特角、玻璃堆起偏測量及觀察偏振光干涉現象；另一個是波長650 nm的半導體激光器，用于半波片和λ/4波片、液體的旋光性、液晶物性實驗. 每個光源單獨制作1個套筒，將其直接插入望遠鏡筒中，并且可以共用相同電源. 白色LED光源參量是12 V，3 W，半導體激光器的參量是3 V，10 mW，為共用12 V/1 A穩壓電源，激光器需加分壓電路，最好再加積分電路使加在激光器上的電壓逐漸上升保護激光器，因為電路簡單原件少，電路可以直接放入套筒中，裝置如圖1所示，材料為尼龍.

圖1 光源裝置

3)偏振片的制作與放置，偏振片放置在圖2所示的位置，應將偏振片的轉動部分設計得盡量薄，這樣可增加載物臺上放置器件的空間.

圖2 起偏器、檢偏器的位置

為使偏振片轉動靈活，使用了薄壁軸承，偏振片的刻度盤采用激光雕刻，其刻度線清晰，精度高(最小分度1°)，結構如圖3所示.

圖3 偏振片旋轉裝置的組成結構

4)玻璃反射起偏和玻璃堆透射起偏. 用分光計做偏振實驗的優勢是它的載物臺旋轉靈活、精度高，可以與游標盤鎖定后一同旋轉，去掉載物臺調平螺絲和可調升降的平臺后，可看到載物臺中心孔和邊緣上的孔，為防止操作時待測器件在平臺上移動，可利用這2個孔做為放置待測器件的定位固定孔.

測量布魯斯特角的玻璃用1片載玻片，測量玻璃堆起偏大約用50片蓋玻片，為它們分別做固定架，并放置在分光計的載物臺上，如圖4所示.

圖4 載物臺上放置待測器件

5)波片性能實驗. 做2個波片旋轉架，一個裝半波片，另一個裝λ/4波片，要將架子定位在載物臺上，波片可360°旋轉. 旋轉部分與偏振片架的旋轉部分的尺寸、結構盡量相同，這樣既通用又可節約加工成本，設計結構如圖5所示.

圖5 波片旋轉裝置的組成結構

6)偏振光干涉現象的觀察. 可讓學生用塑料紙做成厚度不均勻的形狀，放在載物臺上，也可用力施加放在載物臺上的薄有機玻璃上. 光源用白色LED，經起偏器照到載物臺的樣品上，轉動檢偏器，在望遠鏡出射孔處可觀察到不同波長偏振光干涉產生的顏色變化.

7)液體旋光實驗. 使用長度為100 mm的旋光管，只需為其做個簡單的架子放到載物臺上，如圖6所示，光源用半導體激光. 實驗時學生自己配制不同濃度的糖水溶液，觀察其旋光性并測量溶液濃度.

圖6 旋光管架

8)液晶物性. 實驗用向列相液晶光閥，通過調節外加電壓的大小可以改變液晶光閥的透光率，由此研究液晶物性和液晶屏的顯示原理. 成品的液晶光閥前后表面都貼有偏振片，應將其部分或全部揭去，用起偏器和檢偏器代替其功能，實驗主要內容為：測量液晶的扭曲角、液晶電控雙折射效應、液晶響應時間測量.

圖7 液晶盒的結構

設計的液晶盒如圖7所示，液晶上的偏振片有一半被揭去，另一半保留，這樣做的目的是：用揭去部分研究液晶物性，保留部分讓學生了解液晶板成品的結構、前后偏振片的偏振方向等；還有一部分是完全透光的，用于與光穿過液晶板后的性質進行比較. 將液晶板固定在液晶盒里，液晶盒固定在滑軌上，然后整體放置到載物臺上，液晶板在滑軌上移動，就可以觀察和測量液晶的不同部位.

9)光電傳感器及測量裝置. 光電轉換裝置安裝在望遠鏡的出射孔上，為精確測量，需選用靈敏度較高的光電傳感器，使用硅光電池，光電流需經放大和去噪后用數字電表顯示；也可以購買成的激光功率計，如SANWA激光功率計(測量范圍為0.01 μW～40 mW)，可以勝任測量任務.

在此需要說明的是，測量布魯斯特角需要使用白屏接收玻璃的發射光，并用眼睛觀察，而不是用光電接收裝置測量光電流，這是因為當玻璃的反射角為布魯斯特角時，反射光消失，導致用光電接收裝置無法跟蹤，很難找到準確位置. 測量原理是利用光的可逆性，可以很精確地測得布魯斯特角，具體操作為：將待測玻璃放到載物臺上，將載物臺與游標盤聯動，外刻度盤鎖定，轉動偏振片和載物臺，使得在白屏上看到的反射光消失，如圖8(a)所示，標對應角度ψ1和ψ1′；再次轉動載物臺，改變待測玻璃的方向，使得白屏上的反射光再次消失，記下左右游標盤對應角度ψ2和ψ2′，如圖8(b)所示. 布魯斯特角θ為

(a) (b)圖8 測量布魯斯特角光路

利用分光計平臺的靈活性，還可以進行更多的實驗內容，如晶體的雙折射現象、尼克爾棱鏡起偏檢偏等.

改造后實驗裝置的實驗效果令人滿意，與原儀器比較，改進后的儀器易于使用，且豐富了實驗內容，降低了故障率，提高了實驗精度. 利用該儀器可以分幾個單元開設偏振光的系列實驗.

[1] 曹慧賢. 普通物理實驗[M]. 北京：北京師范大學出版社,2007：216-223.

[2] 趙凱華,鐘錫華. 光學(下冊)[M]. 北京：北京大學出版社,2000：165-212.

[責任編輯：尹冬梅]

Transform spectrometer into polarization experiment platform

PING Cheng, SUO Guang-bin

(Department of Physics, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

The method of transform spectrometer into polarization experiment platform was introduced. 3D design images of the main experiment devices were showed. The improved polarization experiment platform could undertake many related polarization experiments, such as polarizing experiment, analyzer experiment, Brewster angle experiment, wave plate experiment, glass stacking polarizing experiment, optical rotation experiment and liquid crystals experiment.

spectrometer; polarization; Marius law; Brewster angle; wave plate; optical rotation; properties of liquid crystals

2016-05-30

平 澄(1962-)，男，江蘇南京人，北京師范大學物理學系高級實驗師，學士，從事實驗教學與實驗儀器研究開發.

O436.3

A

1005-4642(2017)03-0018-03

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文