李林鵬,楊 蘭,東姝瑋，楊胡江

(北京郵電大學 a.理學院;b.信息與通信工程學院，北京 100876)

基于Android手機的偏振光自動測量

李林鵬a,b,楊 蘭b,東姝瑋b，楊胡江a

(北京郵電大學 a.理學院;b.信息與通信工程學院，北京 100876)

利用Arduino uno單片機、步進電機以及智能手機自帶的傳感器等自制實驗裝置，實現(xiàn)了對光線強度、斯托克斯參量等的自動測量和數(shù)據(jù)實時處理，驗證了馬呂斯定律和不同的偏振光狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換與檢驗.

偏振光；Android手機；Arduino uno；斯托克斯參量；馬呂斯定律

在傳統(tǒng)的物理光學偏振光與波片實驗中，主要通過人工調(diào)節(jié)儀器角度、人眼識別刻度獲得數(shù)據(jù)，其過程繁瑣、耗費時間長，同時數(shù)據(jù)量大且角度測量不夠精確. 因此，本文對傳統(tǒng)的實驗系統(tǒng)進行了改造:借助手機傳感器進行該實驗，同時利用Arduino uno單片機、步進電機開發(fā)了基于Android的實驗軟件、自動旋轉(zhuǎn)檢偏器和基于手機光強傳感器的測量裝置. 該系統(tǒng)實現(xiàn)了通過軟件控制檢偏器的自動定向旋轉(zhuǎn)，以及數(shù)據(jù)的自動采集、存儲與實時處理，提高了實驗操作的效率和測量數(shù)據(jù)的準確性[1-2].

1 實驗原理

1.1 光的基本原理

光是橫波，它的振動方向和傳播方向垂直. 在垂直于光波傳播方向的平面內(nèi)，光矢量可能有不同的振動方向，通常把光矢量保持一定振動方向上的狀態(tài)稱為偏振態(tài). 光有5種偏振態(tài)，即線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光、自然光和部分偏振光. 其中，橢圓偏振光可看作是2個沿同一方向傳播的振動方向相互垂直的線偏振光的合成.

1.2 馬呂斯定律

設2片偏振片透振方向之間的夾角為α，則透過檢偏器的線偏振光的強度為[3]

I=I0cos2α,

式中I0為入射光的強度.

1.3 斯托克斯參量

單色平面光波的各種偏振態(tài)可以用斯托克斯參量(S0，S1，S2，S3)來表示，通過光的電矢量S分量振幅ES和P分量振幅EP與相位差δ和4個斯托克斯參量之間的關系(圖1)，可以判斷橢圓偏振光的偏振旋向[4-5].

圖1 橢圓偏振各參量之間的關系

2 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，包括532 nm綠色半導體激光器、起偏器、1/4波片、檢偏器和光強探測器，與普通偏振光實驗不同的是檢偏器可用步進電機精確控制[6]，手動或自動旋轉(zhuǎn)，光強探測器直接使用手機的光強傳感器.

圖2 實驗裝置圖

檢偏器的控制部分主要分為2個模塊，分別為步進電機模塊和藍牙傳輸模塊.

步進電機模塊使用28BYJ-48步進電機，利用ULN2003驅(qū)動模塊進行驅(qū)動，通過藍牙模塊接收到手機發(fā)送來的旋轉(zhuǎn)角度指令，并將該角度傳遞給步進電機從而帶動偏振片進行一定角度的旋轉(zhuǎn).

藍牙傳輸模塊是該裝置中的重要模塊，由Arduino單片機利用藍牙模塊與手機連接構(gòu)成. 使用者在軟件中輸入旋轉(zhuǎn)的角度，由該模塊傳遞給步進電機，以控制偏振片旋轉(zhuǎn).

2.1 手機檢測光強原理

目前，智能手機都帶有光線感應器. 光線感應器是由2個組件即投光器和受光器所組成，利用投光器將光線由透鏡聚焦，經(jīng)傳輸至受光器的透鏡，再至接收感應器，接收感應器將收到的光訊號轉(zhuǎn)變成電信號，從而供系統(tǒng)讀取該電信號的值.

手機軟件測量光強原理：首先獲得系統(tǒng)傳感器服務許可，其次調(diào)用其中的光感器服務，監(jiān)測光感器數(shù)據(jù)，同時在測量點讀取光感器數(shù)據(jù)(單位為mV)，共讀取10次光強值，去掉最大值和最小值，剩余的值求平均值，即為光強值. 得到該角度的光強值后，將數(shù)據(jù)儲存至手機內(nèi)存并做圖.

在實驗結(jié)束時，反注冊，釋放資源.

2.2 手機軟件功能介紹

手機軟件的工作模式分為2種：自動修改旋轉(zhuǎn)偏振片角度與自主修改旋轉(zhuǎn)偏振片角度. 通過對軟件的操作，能夠?qū)崿F(xiàn)驗證馬呂斯定律，探究光的偏振態(tài)并判斷橢圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方向. 實驗時，軟件默認為自動修改偏振片旋轉(zhuǎn)角度.

當選擇驗證馬呂斯定律時，手機會在0°～90°的范圍內(nèi)每隔10°向單片機發(fā)送1次旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)并由手機光線感應器得到光強數(shù)據(jù)，且將這些數(shù)據(jù)在直角坐標系內(nèi)制圖.

當選擇觀察不同偏振光性質(zhì)時，手機會在0°～360°的范圍內(nèi)每隔2°向單片機發(fā)送1次旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，并由手機光線感應器得到光強數(shù)據(jù)，最終將這些數(shù)據(jù)在極坐標系內(nèi)制圖. 對于橢圓偏振光，軟件會自動計算斯托克斯參量[6],求得χ并由該參量χ判斷橢圓偏振光的偏振旋向[4].

當選擇自主輸入旋轉(zhuǎn)角度時，偏振片的旋轉(zhuǎn)角度由使用者輸入軟件，手機會將該數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，其他原理與上述原理一致.

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 驗證馬呂斯定律

圖3的2條直線分別由本裝置測的數(shù)據(jù)和手動測的數(shù)據(jù)擬合而成. 由手動測得的數(shù)據(jù)作圖為過原點的直線，說明角度余弦值的平方和電流(光照)強度成正比關系，驗證了馬呂斯定律；由本裝置測得數(shù)據(jù)作圖為過y軸的直線，可以發(fā)現(xiàn)，除去環(huán)境光影響，角度余弦值的平方和電流(光照)強度成正比關系，驗證了馬呂斯定律.

圖3 驗證馬呂斯定律數(shù)據(jù)作圖

由Origin的數(shù)據(jù)分析得手動測量數(shù)據(jù)的直線擬合相關系數(shù)為r=0.997 3，本裝置測量數(shù)據(jù)的直線擬合相關系數(shù)為r=0.999 8. 由本裝置測得數(shù)據(jù)作圖與手動測得數(shù)據(jù)的作圖比較，可以明顯地看出本裝置測得的數(shù)據(jù)誤差小于手動測量. 同時實驗發(fā)現(xiàn)，該裝置調(diào)整儀器、測量數(shù)據(jù)所需時間小于人工實驗所需的時間，數(shù)據(jù)處理的速度也有很明顯的優(yōu)勢.

3.2 不同偏振光的相對光強分布

通過偏振片每旋轉(zhuǎn)一定的角度測得的光強作圖，如圖4所示，可以清晰地看到不同偏振態(tài)的相對光強分布. 由圖4可以看出，兩者的光強相對變化趨勢基本一致，而且由本裝置測得數(shù)據(jù)做出的光強分布圖更符合圓偏振光的特性，較手動測量所得的光強分布圖更準確. 同時，該裝置測量的速度是手動測量的3倍以上，其高效性體現(xiàn)得尤為明顯.

圖4 圓偏振光相對光強分布圖

3.3 環(huán)境光強對實驗結(jié)果的影響

經(jīng)過大量實驗，由所得數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)境光強對實驗數(shù)據(jù)的影響較明顯，但對相對光強的影響在6%之內(nèi). 由于本實驗只需要得到相對光強變化曲線，并不要求絕對光強，所以本裝置可以滿足需要，只需在進行多組實驗時，避免其他激光源對手機光線傳感器的影響.

4 結(jié)束語

搭建了基于Android平臺的偏振光實驗裝置，該裝置可高效、可靠地通過數(shù)字化的測量方式實現(xiàn)實驗，提高了傳統(tǒng)實驗的效率與準確性. 同時，該實驗裝置結(jié)果顯示直觀清晰，性能穩(wěn)定，手機的發(fā)展和普及也使該實驗裝置測量方便、準確，對今后物理學實驗與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合與發(fā)展將大有裨益.

[1] 蘇士田. 偏振光實驗的改進[J]. 棗莊學院學報,2015,32(2):28-29.

[2] 郭平生,柴志方,崔璐,等. 手機APP系統(tǒng)在大學物理實驗教學中的應用[J]. 物理實驗,2016,36(11):28-31.

[3] 張三慧. 大學物理學(第四冊)[M]. 北京：清華大學出版社，2001：220.

[4] 羅英達,陳哲. 偏振光斯托克斯參量測量原理與測量方法設計[J]. 激光與光電子學進展,2009,46(6):54-58.

[5] 王燕濤，姜鳳賢，焦斌亮. 利用斯托克斯參量驗證偏振光[J]. 物理實驗，2011，31(12):20-23.

[6] 王娟. 單片機串口通信在物理實驗中的應用[J]. 科技創(chuàng)新導報,2008(25):35-36.

[7] 馮偉偉. 光束偏振態(tài)的斯托克斯參及偏振度的智能化測量[D]. 曲阜：曲阜師范大學,2004.

AutomaticmeasuringdeviceforpolarizedlightexperimentbasedonAndroidmobilephone

LI Lin-penga,b, YANG Lanb, DONG Shu-weib, YANG Hu-jianga

(a.School of Science; b.School of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

The experimental device was set up based on an Arduino uno single-chip, a stepper motor and an Android mobile phone. Automatic measurement and real-time processing of intensity and Stokes parameters were realized, and the Malus law and the transformation between different polarization states were verified.

polarized light; Android mobile phone; Arduino uno; Stokes parameters; Malus law

“第13屆全國高等學校物理演示實驗教學研討會”論文

2017-06-20；修改日期2017-10-12

北京郵電大學大學生研究創(chuàng)新基金項目(No.201710013038);北京郵電大學教改項目(No.

2017JY43)

李林鵬(1994-)，男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，北京郵電大學信息與通信工程學院2014級本科生.

指導教師：楊胡江(1976-)，男，四川樂山人，北京郵電大學理學院副教授，博士，主要從事物理實驗教學與研究工作.

O436.3

A

1005-4642(2017)12-0029-03

任德香]