廖艷林,趙 艷,諶正艮,侯 浩
(1.安徽大學 物理與材料科學學院,安徽 合肥 230039;2.安徽醫(yī)科大學 物理系,安徽 合肥 230032)
偏振是電磁波的重要特性之一。迄今,偏振控制技術(shù)已在光信息處理、光學計量、光調(diào)制器、應力分析、光通信、光開關(guān)等方面有著廣泛應用。光的偏振也是大學物理實驗的一個重難點內(nèi)容,特別是光學波片的工作原理[1-4]。由于光學波片的宏觀現(xiàn)象源于微觀結(jié)構(gòu),難以直觀描述,因此,如何形象描述波片工作原理,提高光學波片教學質(zhì)量就是一個值得思考的問題。圍繞這一問題,杜嘉萍等人通過擴大實驗流程,引導學生自主思考,從而確定偏振片以及波片光軸[5]。戴瑞等人將3只白熾燈排列呈正三角形對原有的實驗光源進行改進,從而方便演示偏振光干涉以及光彈性效應[6]。另一方面,示波器可以直觀觀察電信號的波形、幅度和頻率等參數(shù),是一種用途極為廣泛的電子設備。近年來,由于數(shù)字示波器的便捷性以及圖形美觀等特點,在各個領域快速替代了模擬示波器,大學物理實驗教學中也在大力推行數(shù)字示波器使用。如果將數(shù)字示波器應用于光學波片原理演示,將有效提高數(shù)字示波器和光學波片的教學效果。
本文將數(shù)字示波器應用于光學波片原理教學,根據(jù)光學波片原理,調(diào)節(jié)兩路電信號的相位差和幅度關(guān)系,實現(xiàn)四分之一波片和二分之一波片的演示。該實驗教學不僅可以直觀展示光學波片工作原理,也可以進一步熟練示波器的應用。
如圖1所示。
圖1 o光和e光
光學波片一般為雙折射晶體,偏振光垂直晶體的光軸入射,并分解為平行于光軸的e光以及垂直于光軸的o光,其振幅分別為:a=Asinθ(o光),b=Acosθ(e光)。θ是光軸與入射光偏振方向之間的夾角。o光和e光在晶體中的傳播速度不同,一個線偏振光通過厚度為d的晶體后,他們之間的相位差為
(1)
這里d和λ分別是光程差、切片厚度和入射波長;另外,no和ne分別為o光和e光在晶體中的折射率。如果o光初相位為0,則為o光和e光的振動合成為:
(2)
這是一橢圓方程,且隨著Δφ的不同橢圓度也不同。
另一方面,二分之一波片是o光和e光產(chǎn)生λ/2光程差。此時Δφ=π,出射光仍然為偏振光,且振動方向相對于入射光的振動面轉(zhuǎn)過2θ角。
為演示波片原理,我們采用了一臺固緯示波器(型號:2102EQ),該示波器不僅可以顯示波形,還可以同時輸出2路相位相關(guān)信號。示波器的正弦信號輸出調(diào)節(jié)為:option→任意波發(fā)生器→輸出設置→輸出(開),源1設置→波形設置→頻率(設定為100 Hz)。將源1設置的信號接CH1通道,再按照同樣路徑設定好源2,并將源2信號從CH2輸入。將示波器顯示進入李薩如圖形模式,調(diào)節(jié)為:acquire→XY→開啟XY。此時,XY軸類比為平行于光軸的e光以及垂直于光軸的o光。
(a)θ=0°
(b) θ=45°圖2 二分之一波片
對于二分之一波片,我們設定源1和2的相位差為180°,通過衰減源2的幅度模擬入射光偏振方向與光軸夾角為0°,此時經(jīng)過波片后的偏振方向與入射光偏振方向一致,示波器演示效果見圖2(a)。將源1和2信號的幅度調(diào)成同等大小,即此時入射光偏振與光軸方向成45°夾角,可得到圖2(b)效果,從圖中可以看出,合成的仍然是一個線偏振,但是此時的振動方向已經(jīng)相對于入射光振動方向旋轉(zhuǎn)了90°,即當前振動方向為135°。
(a)θ=0°
(b) θ=45°圖3 四分之一波片
我們設定源1和2的相位差為90°,同樣通過衰減源2的幅度模擬入射光偏振方向與光軸夾角為0°,此時表明經(jīng)過波片后的偏振方向與入射光偏振方向一致,演示效果見圖3(a)。將源1和2信號的幅度調(diào)成同等大小,即此時相當于入射光偏振與光軸方向成45°夾角,可得到圖3(b)效果,從示波器李薩如圖可以看出,合成的振動是一個圓,即四分之一波片。
本文將數(shù)字示波器應用于光學波片原理教學,根據(jù)光學波片原理,調(diào)節(jié)兩路電信號的相位差和幅度關(guān)系,實現(xiàn)四分之一波片和二分之一波片原理演示。該實驗教學不僅可以直觀展示光學波片工作原理,也可以進一步提高示波器實驗教學效果。