光電轉換器的性能對偏振實驗結果的影響*

李香蓮 楊 明

(華中科技大學物理學院 湖北 武漢 430074)

偏振實驗是理工科院校大學物理實驗室中一個常見而又重要的光學實驗[1～3]．其中涉及的內容如馬呂斯定律的驗證、橢圓偏振光光強的測量等等，從原理上來看既簡單又直觀，儀器也大都是散裝式的．因此，偏振實驗是鍛煉學生動手能力的不可多得的好實驗．然而，和其他許多光學實驗一樣，偏振實驗對各光學器件的要求很高，如果儀器有缺陷，就會得到各種“不理想”的實驗數據．

本文試圖就光電探測器的性能對偏振實驗結果的影響，進行深入的探討．

1 偏振實驗簡介及其存在的問題

圖1 偏振實驗裝置示意圖

關于偏振實驗的實驗結果，筆者和兄弟院校從事大學物理實驗教學的教師進行過交流，大家普遍反映實驗結果或多或少存在一些不理想的地方．比如驗證馬呂斯定律的內容中所得到的實驗圖形線性不理想、圓偏振光的光強并非在各方向都相等、橢圓偏振光的光強分布也和理論結果有偏差等．究其原因，除了光路調節中存在偏差外，儀器問題是很重要的因素，比如偏振片的起偏效果、波片所對應的波長與光源波長不一致、以及光電轉換器的性能等．后者，也即光電轉換器的性能對偏振實驗結果的影響，正是本文要探究的問題．

在偏振實驗中，不管是哪個實驗內容，最終都是通過測量光強來獲得相應物理規律的．通常而言，光強是通過光電轉換器，利用光電效應的物理過程而測得電流．也就是說，我們是通過檢流計上顯示的電流來獲得相對光強的信息．這里暗含著一個前提條件，那就是光電轉換器接收到的光強與它產生的電流成線性關系．然而實際上，對任何光電轉換器來說，這種線性關系都只是在一定的光強范圍內近似成立．好一點的光電轉換器可能在較大的光強范圍，保持著更加良好的線性關系，而差一點的光電轉換器則可能僅在較小的光強范圍保持線性關系．筆者所在實驗室所使用的光電轉換器，正是屬于線性區間相對較小的類型，因此，學生選擇大小不同的光強進行實驗時，所得結果和理論結果之間的偏差就可能明顯不同．本文擬就馬呂斯定律的驗證以及橢圓偏振光光強測量的實驗內容，探討光電探測器對實驗結果的影響．

2 在不同入射光強下驗證馬呂斯定律

在這一實驗內容中，學生需要先調節檢偏器P2，使其透光方向垂直于起偏器P1的透光方向，然后依次將檢偏器的透光方向旋轉10°，測量兩偏振片透光方向夾角θ分別為90°，80°，…，0時的光電流，并在直角坐標中畫出I-cos2θ圖．理論上，根據馬呂斯定律，I-cos2θ圖應該是一條過原點的直線，但實際上學生畫出來的圖像很多并不是完美的直線，而是如圖2所示的曲線．

圖2 通過兩偏振片后的光強與兩偏振片透光

我們猜測光電探測器在進行光電轉換時存在非線性的因素．為了分析不同大小的光強下，I-cos2θ圖形的變化趨勢，并且為了便于操作以及和橢圓偏振光光強測量進行對比分析，我們在光源與起偏器P1之間加入另一個偏振片P0,如圖3所示，用以改變光強．

圖3 在不同光強下驗證馬呂斯定律的實驗裝置

我們測量了光強由強到弱依次為光強A，光強B，光強C，光強D，光強E，光強F時，光強I隨θ變化的數據，并作出了各不同光強下的I-cos2θ曲線，如圖4所示．從圖4中可以看出，當光強比較強時，I-cos2θ曲線明顯偏離線性關系(光強A，B下的曲線即如此)，隨著光強變弱，曲線逐漸變成直線(光強D，E，F下的圖像基本上都是直線)．因此，光強較強時，測得的數據明顯失真，如果在這種光強下測量橢圓偏振光的光強分布，得到的必然也會是失真的結果．

圖4 在入射光強為不同強度時，通過兩偏振片后的光強與兩偏振片透光方向夾角之余弦平方的關系

3 在不同入射光強下測量橢圓偏振光光強

實驗裝置如圖5所示.

圖5 在不同光強下測量橢圓偏振光光強的實驗裝置

這里，我們將上述夾角選為30°，并將檢偏器P2轉到不同的角度時測得的光強在極坐標圖中畫出來，如圖6所示．

圖6 在不同入射光強下測得的橢圓偏振光光強分布曲線

從圖6可以看出，雖然各不同入射光強下的橢圓偏振光光強分布曲線形狀都和理論上的花生殼形狀一致，但仔細分析則可以發現，不同“花生殼”的長短軸之比(即最強光強和最弱光強之比)是不太一樣的：從光強A到光強F這一比值依次為1.992，2.563，3.115，3.186，3.253，3.222．由此可知，在光強A和B下，由于光電轉換器工作在非線性區域(參考圖4)，得到的橢圓偏振光光強分布曲線失真明顯，而光強C接近光電轉換器的線性區域，所以相應的橢圓偏振光光強分布曲線也趨向于真實曲線，到光強D，E，F，光電轉換器基本上工作在線性區域，所以相應的橢圓偏振光光強分布曲線也基本上是真實的，最強光強和最弱光強之比也基本上穩定下來．至于這一光強比和理論上的比值(cot230°=3)存在偏差，那應該歸于其他因素，比如波片本身在厚度等方面的偏差、以及與光源波長的匹配等等．

4 結論

綜上所述，在偏振實驗中，光電轉換器是值得關注的重要因素．我們要么配備性能優良的光電轉換器，以致它的線性工作區覆蓋我們的光強調節范圍；要么要求學生把光強控制在較小的范圍，使它處于所使用光電轉換器的線性區域；要么引導學生自己去分析、控制光強的大小．