李香蓮 楊 明

(華中科技大學(xué)物理學(xué)院 湖北 武漢 430074)

偏振實(shí)驗(yàn)是理工科院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室中一個(gè)常見(jiàn)而又重要的光學(xué)實(shí)驗(yàn)[1～3]．其中涉及的內(nèi)容如馬呂斯定律的驗(yàn)證、橢圓偏振光光強(qiáng)的測(cè)量等等，從原理上來(lái)看既簡(jiǎn)單又直觀，儀器也大都是散裝式的．因此，偏振實(shí)驗(yàn)是鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的不可多得的好實(shí)驗(yàn)．然而，和其他許多光學(xué)實(shí)驗(yàn)一樣，偏振實(shí)驗(yàn)對(duì)各光學(xué)器件的要求很高，如果儀器有缺陷，就會(huì)得到各種“不理想”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

本文試圖就光電探測(cè)器的性能對(duì)偏振實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，進(jìn)行深入的探討．

1 偏振實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介及其存在的問(wèn)題

圖1 偏振實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

關(guān)于偏振實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者和兄弟院校從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師進(jìn)行過(guò)交流，大家普遍反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果或多或少存在一些不理想的地方．比如驗(yàn)證馬呂斯定律的內(nèi)容中所得到的實(shí)驗(yàn)圖形線性不理想、圓偏振光的光強(qiáng)并非在各方向都相等、橢圓偏振光的光強(qiáng)分布也和理論結(jié)果有偏差等．究其原因，除了光路調(diào)節(jié)中存在偏差外，儀器問(wèn)題是很重要的因素，比如偏振片的起偏效果、波片所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與光源波長(zhǎng)不一致、以及光電轉(zhuǎn)換器的性能等．后者，也即光電轉(zhuǎn)換器的性能對(duì)偏振實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，正是本文要探究的問(wèn)題．

在偏振實(shí)驗(yàn)中，不管是哪個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最終都是通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)來(lái)獲得相應(yīng)物理規(guī)律的．通常而言，光強(qiáng)是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器，利用光電效應(yīng)的物理過(guò)程而測(cè)得電流．也就是說(shuō)，我們是通過(guò)檢流計(jì)上顯示的電流來(lái)獲得相對(duì)光強(qiáng)的信息．這里暗含著一個(gè)前提條件，那就是光電轉(zhuǎn)換器接收到的光強(qiáng)與它產(chǎn)生的電流成線性關(guān)系．然而實(shí)際上，對(duì)任何光電轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，這種線性關(guān)系都只是在一定的光強(qiáng)范圍內(nèi)近似成立．好一點(diǎn)的光電轉(zhuǎn)換器可能在較大的光強(qiáng)范圍，保持著更加良好的線性關(guān)系，而差一點(diǎn)的光電轉(zhuǎn)換器則可能僅在較小的光強(qiáng)范圍保持線性關(guān)系．筆者所在實(shí)驗(yàn)室所使用的光電轉(zhuǎn)換器，正是屬于線性區(qū)間相對(duì)較小的類型，因此，學(xué)生選擇大小不同的光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，所得結(jié)果和理論結(jié)果之間的偏差就可能明顯不同．本文擬就馬呂斯定律的驗(yàn)證以及橢圓偏振光光強(qiáng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，探討光電探測(cè)器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響．

2 在不同入射光強(qiáng)下驗(yàn)證馬呂斯定律

在這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，學(xué)生需要先調(diào)節(jié)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(zhuǎn)10°，測(cè)量?jī)善衿腹夥较驃A角θ分別為90°，80°，…，0時(shí)的光電流，并在直角坐標(biāo)中畫出I-cos2θ圖．理論上，根據(jù)馬呂斯定律，I-cos2θ圖應(yīng)該是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，但實(shí)際上學(xué)生畫出來(lái)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(guò)兩偏振片后的光強(qiáng)與兩偏振片透光

我們猜測(cè)光電探測(cè)器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時(shí)存在非線性的因素．為了分析不同大小的光強(qiáng)下，I-cos2θ圖形的變化趨勢(shì)，并且為了便于操作以及和橢圓偏振光光強(qiáng)測(cè)量進(jìn)行對(duì)比分析，我們?cè)诠庠磁c起偏器P1之間加入另一個(gè)偏振片P0,如圖3所示，用以改變光強(qiáng)．

圖3 在不同光強(qiáng)下驗(yàn)證馬呂斯定律的實(shí)驗(yàn)裝置

我們測(cè)量了光強(qiáng)由強(qiáng)到弱依次為光強(qiáng)A，光強(qiáng)B，光強(qiáng)C，光強(qiáng)D，光強(qiáng)E，光強(qiáng)F時(shí)，光強(qiáng)I隨θ變化的數(shù)據(jù)，并作出了各不同光強(qiáng)下的I-cos2θ曲線，如圖4所示．從圖4中可以看出，當(dāng)光強(qiáng)比較強(qiáng)時(shí)，I-cos2θ曲線明顯偏離線性關(guān)系(光強(qiáng)A，B下的曲線即如此)，隨著光強(qiáng)變?nèi)酰€逐漸變成直線(光強(qiáng)D，E，F(xiàn)下的圖像基本上都是直線)．因此，光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，測(cè)得的數(shù)據(jù)明顯失真，如果在這種光強(qiáng)下測(cè)量橢圓偏振光的光強(qiáng)分布，得到的必然也會(huì)是失真的結(jié)果．

圖4 在入射光強(qiáng)為不同強(qiáng)度時(shí)，通過(guò)兩偏振片后的光強(qiáng)與兩偏振片透光方向夾角之余弦平方的關(guān)系

3 在不同入射光強(qiáng)下測(cè)量橢圓偏振光光強(qiáng)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示.

圖5 在不同光強(qiáng)下測(cè)量橢圓偏振光光強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)裝置

這里，我們將上述夾角選為30°，并將檢偏器P2轉(zhuǎn)到不同的角度時(shí)測(cè)得的光強(qiáng)在極坐標(biāo)圖中畫出來(lái)，如圖6所示．

圖6 在不同入射光強(qiáng)下測(cè)得的橢圓偏振光光強(qiáng)分布曲線

從圖6可以看出，雖然各不同入射光強(qiáng)下的橢圓偏振光光強(qiáng)分布曲線形狀都和理論上的花生殼形狀一致，但仔細(xì)分析則可以發(fā)現(xiàn)，不同“花生殼”的長(zhǎng)短軸之比(即最強(qiáng)光強(qiáng)和最弱光強(qiáng)之比)是不太一樣的：從光強(qiáng)A到光強(qiáng)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(qiáng)A和B下，由于光電轉(zhuǎn)換器工作在非線性區(qū)域(參考圖4)，得到的橢圓偏振光光強(qiáng)分布曲線失真明顯，而光強(qiáng)C接近光電轉(zhuǎn)換器的線性區(qū)域，所以相應(yīng)的橢圓偏振光光強(qiáng)分布曲線也趨向于真實(shí)曲線，到光強(qiáng)D，E，F(xiàn)，光電轉(zhuǎn)換器基本上工作在線性區(qū)域，所以相應(yīng)的橢圓偏振光光強(qiáng)分布曲線也基本上是真實(shí)的，最強(qiáng)光強(qiáng)和最弱光強(qiáng)之比也基本上穩(wěn)定下來(lái)．至于這一光強(qiáng)比和理論上的比值(cot230°=3)存在偏差，那應(yīng)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(zhǎng)的匹配等等．

4 結(jié)論

綜上所述，在偏振實(shí)驗(yàn)中，光電轉(zhuǎn)換器是值得關(guān)注的重要因素．我們要么配備性能優(yōu)良的光電轉(zhuǎn)換器，以致它的線性工作區(qū)覆蓋我們的光強(qiáng)調(diào)節(jié)范圍；要么要求學(xué)生把光強(qiáng)控制在較小的范圍，使它處于所使用光電轉(zhuǎn)換器的線性區(qū)域；要么引導(dǎo)學(xué)生自己去分析、控制光強(qiáng)的大?。?/p>