光的偏振和反射理論的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

毛紅敏，王 軍，王曉丹，臧濤成

(蘇州科技學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

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光的偏振和反射理論的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

毛紅敏，王 軍，王曉丹，臧濤成

(蘇州科技學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

基于菲涅耳反射和光的偏振等光學(xué)基礎(chǔ)理論，設(shè)計(jì)了綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)中使用了偏振片、半波片和偏振分光棱鏡等偏振元件，加深了學(xué)生對(duì)光學(xué)器件的了解和偏振知識(shí)的理解. 平板玻璃表面偏振光反射的應(yīng)用，有助于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力.

偏振光; 菲涅爾公式; 偏振分光棱鏡; 半波片

1 引 言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)提出新的要求，教育部醞釀啟動(dòng)高等院校轉(zhuǎn)型改革，使部分普通高等院校轉(zhuǎn)向培養(yǎng)技能型人才的學(xué)校，因此高等院校的教學(xué)內(nèi)容需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)教育重要的組成部分，技能型人才培養(yǎng)與實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)更是緊密相連. 目前的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比例偏大，而綜合知識(shí)的應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)偏少. 把多個(gè)相關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)綜合起來(lái)，探討與生產(chǎn)、生活的聯(lián)系，設(shè)計(jì)綜合性、應(yīng)用性的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，有助于提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的領(lǐng)會(huì)貫通，提升學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)改革的方向之一. 光的反射理論是光學(xué)的基礎(chǔ)理論，并在實(shí)踐中有著廣泛應(yīng)用；光的偏振是激光器等光學(xué)器件應(yīng)用過(guò)程需要特別關(guān)注的理論知識(shí). 因此，本文基于光學(xué)課程中菲涅耳反射公式、光的偏振理論及偏振相關(guān)器件，進(jìn)行綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，有助于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力.

2 反射和偏振理論

2.1 菲涅耳反射公式

自然光以θ1角從折射率為n1的介質(zhì)入射到折射率為n2介質(zhì)，反射光和折射光將分解為光矢量平行于入射面的p偏振光和光矢量垂直于入射面的s偏振光，折射角為θ2，則s偏振光的振幅反射系數(shù)rs[1]為

rs=n1cosθ1-n2cosθ2n1cosθ1+n2cosθ2=

n1cosθ1-n21-(n1/n2)2sin2θ1n1cosθ1+n21-(n1/n2)2sin2θ1,

(1)

p偏振光的振幅反射系數(shù)rp為

rp=n2cosθ1-n1cosθ2n2cosθ1+n1cosθ2=

n2cosθ1-n11-(n1/n2)2sin2θ1n2cosθ1+n11-(n1/n2)2sin2θ1,

(2)

s偏振光的反射率Rs為

Rs=|rs|2,

(3)

p偏振光的反射率Rp為

Rp=|rp|2.

(4)

由式(3)和(4)可知光在2種介質(zhì)界面的反射率與入射角度有關(guān)，圖1為空氣-玻璃界面上的反射率隨入射角變化的曲線圖[2]，實(shí)線、點(diǎn)劃線和虛線分別為Rp，Rs和平均反射率Rn隨θ1的變化曲線，玻璃的折射率n2=1.515. 從圖1中可以看出s光和p光的反射率隨著入射角度的變化有不同的變化規(guī)律. 例如，當(dāng)θ1=45°時(shí)，Rs=9.56%，Rp=0.91%，Rn=5.23%.

圖1 反射率R隨入射角θ1變化關(guān)系

2.2 偏振光的反射應(yīng)用

光的反射現(xiàn)象在生活和生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用. 生活中最廣泛的應(yīng)用是反射鏡，包括穿衣服用的平面反射鏡，丁字路口汽車用的凸面反射鏡等，這類反射鏡反射的光大多是自然光. 激光器發(fā)出的光是偏振光，在激光光學(xué)和光通信領(lǐng)域，偏振光反射的應(yīng)用較多[3]. 半導(dǎo)體激光器在驅(qū)動(dòng)電流一定的情況下，輸出光功率隨著激光器溫度的升高而降低，導(dǎo)致激光器輸出功率不穩(wěn)定[4]. 因此，必須設(shè)計(jì)由恒流源、放大電路、光功率反饋電路等構(gòu)成的自動(dòng)功率控制系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光器的輸出功率進(jìn)行控制[5]，如圖2所示. 其中光功率反饋部分就需要在激光器輸出光路中插入平板玻璃，利用光在空氣、玻璃界面的反射獲取激光器輸出光功率的信息.

圖2 半導(dǎo)體激光器自動(dòng)功率控制模塊

3 偏振光反射的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

偏振光反射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器、偏振片、半波片、平板玻璃、偏振分光棱鏡和光功率計(jì)構(gòu)成. 半導(dǎo)體激光器輸出光的功率和偏振方向盡可能保持穩(wěn)定，減少光源波動(dòng)引起的測(cè)量誤差. 偏振片使半導(dǎo)體激光二極管輸出的激光變?yōu)榫€偏振光；半波片可調(diào)整線偏振光的振動(dòng)方向，偏振分光棱鏡能把入射的偏振光分成2束垂直的線偏光，其中p偏光幾乎完全通過(guò)，而s偏光以45°角被反射，出射方向與p光成90°角. 平板玻璃迎著光的傳播方向的前表面沒有鍍膜，后表面鍍?cè)鐾改?

3.1 偏振方向的調(diào)整

半導(dǎo)體激光器輸出的光依次通過(guò)偏振片、半波片、偏振分光棱鏡(PBS)，入射到光功率計(jì)PD1，如圖3所示. 調(diào)整半導(dǎo)體激光器、偏振片、半波片、偏振分光棱鏡，使光垂直入射到偏振片、半波片和偏振分光棱鏡. 激光器輸出的光通過(guò)偏振片成為線偏振光，旋轉(zhuǎn)半波片，改變光的振動(dòng)方向，使光通過(guò)半波片后振動(dòng)方向和紙面平行，當(dāng)光功率計(jì)PD1的讀數(shù)最大時(shí)，可知此時(shí)透過(guò)偏振分光棱鏡的光最強(qiáng)，表明半波片后的光波相對(duì)于紙面來(lái)說(shuō)是平行偏振光.

圖3 偏振方向調(diào)整的實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 p偏振光反射光強(qiáng)測(cè)量

由3.1可知半波片出射光波的振動(dòng)方向平行于紙面，在此基礎(chǔ)上，在半波片后面插入平板玻璃，如圖4所示. 調(diào)整平板玻璃的方向，使光束以45°角入射到反射鏡表面. 對(duì)于入射光束和平板玻璃，紙面是入射面，因此平行于紙面的線偏振光，振動(dòng)方向與入射面平行，是p偏振光. 利用光功率計(jì)PD2可測(cè)量p偏振光在空氣和玻璃表面反射光的強(qiáng)度.

圖4 p偏振光反射光強(qiáng)測(cè)量原理圖

3.3 s偏振光反射光強(qiáng)測(cè)量

重復(fù)3.1偏振方向調(diào)整的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，改變圖3中光功率計(jì)PD1的位置，使PD1接收偏振分光棱鏡的反射光. 調(diào)整半波片，由光功率計(jì)PD1的讀數(shù)最大，可知入射到偏振分光棱鏡的垂直偏振光最強(qiáng)，表明半波片后的光波相對(duì)于紙面來(lái)說(shuō)是垂直偏振光. 再在半波片后面插入平板玻璃，如圖5所示. 調(diào)整反射鏡角度，使光以45°角入射到反射鏡表面，光的偏振方向垂直于入射面，即s偏振光，由功率計(jì)PD2測(cè)量平板玻璃反射的s偏振光光強(qiáng).

圖5 s偏振光反射光強(qiáng)測(cè)量原理圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

實(shí)驗(yàn)中使用波長(zhǎng)638 nm、功率5 mW的半導(dǎo)體激光器，平板玻璃是BK7材料. 638 nm對(duì)玻璃BK7的折射率n=1.515. 實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)多次測(cè)量入射到平板玻璃前表面的光強(qiáng)和平板玻璃反射偏振光的光強(qiáng)如表1所示，取平均值得到p偏振反射光的反射率Rp=1.07%. 同樣的方法測(cè)得s偏振反射光的反射率Rs=9.44%.

表1 p偏振反射光的光強(qiáng)和反射率

反射光強(qiáng)數(shù)據(jù)表明，光束以45°角從空氣入射到未鍍膜玻璃表面時(shí)，由于p偏振光和s偏振光的反射率不同，反射光的光強(qiáng)相差很大. 實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，激光器的功率可能更大，導(dǎo)致p和s偏振光反射時(shí)光強(qiáng)相差很大，有可能引起光探測(cè)器飽和. 因此，半導(dǎo)體激光器自動(dòng)功率控制系統(tǒng)，需要根據(jù)激光器輸出的功率和光的偏振方向來(lái)設(shè)計(jì)放大電路和光反饋電路，否則可能引起功率飽和，無(wú)法起到反饋?zhàn)饔?

5 結(jié)束語(yǔ)

利用光的偏振和反射理論，并舉例半導(dǎo)體功率反饋電路中反射光的應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)菲涅耳反射理論中p和s偏振光反射強(qiáng)度不同有了感性認(rèn)識(shí),加深了學(xué)生對(duì)偏振光理論及偏振器件的理解,使學(xué)生體會(huì)到偏振理論和器件與應(yīng)用緊密聯(lián)系，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.

[1] 廖延彪. 偏振光學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2003:19-28.

[2] 歐攀，戴一堂，王愛民,等. 高等光學(xué)仿真(Matlab版)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011:9-20.

[3] 周進(jìn)朝，宋亞杰，曾憲佑,等. 基于偏振光反射多點(diǎn)法測(cè)量薄膜參數(shù)[J]. 中國(guó)激光，2012，39(12)：12070021-12070025.

[4] 焦明星，邢俊紅，劉蕓,等. 半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 激光與紅外，2006,36(4)：261-264.

[5] 徐秀芳，胡曉東. 半導(dǎo)體激光器的功率穩(wěn)恒控制技術(shù)[J]. 光子學(xué)報(bào)，2001,30(6)：761-763.

[責(zé)任編輯：郭 偉]

Comprehensive experiment design of optical polarization and reflection

MAO Hong-min， WANG Jun, WANG Xiao-dan， ZANG Tao-cheng

(Institute of Mathematics and Physics, Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009, China)

Based on the Fresnel reflection and optical polarization theory, a comprehensive application experiment was designed. The experiment with the use of polarizer, half wave plate, polarizing beam splitter prism and so on, could help students understanding the knowledge of polarization theory. The application of polarized light reflected from the surface of flat glass could foster students’ knowledge application ability.

polarization light; Fresnel formula; polarization splitting prism; half wave plate

2014-12-02；修改日期：2015-03-18

校級(jí)重點(diǎn)專業(yè)(應(yīng)用物理學(xué))建設(shè)項(xiàng)目資助(No.2013ZYXZ-08)

毛紅敏(1976-)，女，河北邢臺(tái)人，蘇州科技學(xué)院數(shù)理學(xué)院講師，博士，從事光學(xué)、光纖理論與先進(jìn)傳感技術(shù)方面的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)工作。

O436.3

A

1005-4642(2015)06-0029-03