SGP-I型偏振光实验系统说明书

1规格与主要技术指标

1.1 规格

计算机与操作软件1套

格兰棱镜2块

1/2波片(632.8nm) 1片

1/4波片(632.8nm) 1片

三维调节架2套

二维调节架2套

底座9套

由步进电机控制的调节架3套

光电接收系统2套

分束器1片

氦氖激光器（包括电源）1套

1.2 主要技术指标

所有调节架光学中心高度200mm

步进电机控制的调节架任意旋转角度，精度0.05°

氦氖激光器和电源波长632.8nm 、功率≥1.5 mW

2工作原理

2.1 实验用光源

光源采用氦氖激光光源，这种光源具有很好的单色性，波长为632.8nm。

2.2 偏振器

偏振器从工作原理上可分为三大类：（1）利用反射和折射产生线偏振光的原理制成的各种偏振分光镜；（2）由双折射晶体制成的各种偏振棱镜；（3）由二向色性透光材料制成的偏振片。当偏振器用来将自然光转换成线偏振光时通常被称之为起偏器，而偏振器被用来检验偏振光时又被称之为检偏器。本实验采用格兰棱镜做偏振器。

波片波片是相位延迟器的一种，是由双折射材料制成的一种光学元件，本实验采用石英晶体材料制作的偏振片，其性能稳定。

2.3 原理

光的偏振现象比光的干涉和衍射更为抽象，若不借助于专门的器件和方法，人的眼睛和光学接收器无法鉴别光的偏振特性，为适应大学基础实验要求，我公司特设计了一套用于偏振光实验的实验系统，该系统的测量内容包括两部分：一是对用做起偏和相位延迟器件本身的工作参数进行标定测量，二是利用偏光器件对光的偏振性质进行测量和鉴别。

偏振光实验，将光电接收的电信号经A/D变换进入计算机进行处理，实验中通过测量光强分布来确定偏振光的偏振态。

用光电器件探测偏振光时，应注意的一个问题是：几乎所有的光电器件都具有偏

振敏感性，所以在探测偏振态不同的偏振光时，既使光功率相同。所输出的电信号随着偏振态的不同而不同。为保证测量精度，本实验系统在光电器件的窗口处加一退偏器（即毛玻璃），将偏振光变为非偏振光，或者在光电器件前加一偏振器减偏。

2.4 偏振光的产生与鉴别

2.4.1 线偏振光的产生与鉴别

当自然光通过偏振器（通常称之为起偏器）后，由于只有电矢量振动方向平行于透射轴的光可以通过。所以，由偏振器出射的光为线偏振光。

判断偏振光是否是线偏振光，只要让偏振光通过一个偏振器（称之为检偏器），当转动检偏器改变检偏器透射轴与线偏振光之间的夹角时，出射的光强随之改变，根据偏振器的性质可以知道，当透射轴与线偏振光的振动方向平行时，出射的光强最大。而垂直于线偏振光的振动方向时出现消光，即出射的光强为零。如果检偏器旋转一周光强变化交替出现两次最亮和两次零光强，即两明两黑；且符合马吕斯定律θθ20COS )(I I =（θ为检偏器透射轴与偏振光方向间的夹角），即最亮和最暗之间，检偏器应转过90o ，则为线偏振光。 2.4.2 圆偏振光产生及鉴别

产生圆偏振光的前提条件是首先得到线偏振光，然后线偏振光垂直入射到λ/4波片，如果线偏振光的振动方向与λ/4片的快轴和慢轴成45o 角，这时透过λ/4片的光是圆偏振光。检偏器旋转时，光强没有变化。 2.4.3 椭圆偏振光的产生及鉴别

产生椭圆偏振光的方法是将一束线偏振光正入射到λ/4片上，线偏振光振动方向与λ/4片慢轴的夹角不等于45o ，这时透过λ/4片的光就是椭圆偏振光，其长轴与波片快轴或慢轴平行。当椭圆偏振光通过旋转的检偏器，光强将出现两明两暗，光强出现最亮时，检偏镜的透射轴的方向就是椭圆的长轴方向；光强出现最暗时，检偏镜的透射轴的方向就是椭圆的短轴方向。

3 安装

3.1 开箱

打开仪器的包装后,请对照装箱单对仪器的成套性进行认真清点验收,如发现与装箱单不符或者仪器表面有明显的受损现象请立即与售方联系解决。仪器成套性请参阅装箱单。

3.2 安装场地

该仪器是实验仪器。为了提高仪器的工作质量和延长仪器的使用寿命，在选择仪器安装场地时应注意以下几点：

3.2.1 环境温度： 18±28℃ 3.2.2 相对湿度:

＜65%

3.2.3 无振动源、无强电磁场干扰 3.2.4 室内保持清洁、无腐蚀性气体 3.2.5 仪器应放置在坚固的平台上 3.2.6 仪器放置处不可长时间受太阳照射

3.2.7 室内应具稳压电源装置对仪器供电，装有地线，保证仪器接地良好。

3.3 电控箱的使用

计算机与电控箱通过USB 专用电缆连接。

电控箱背面有如图所示的五个插口，分别为电机插口和接受器插口。

在不使用双光束方式的时候，使用测量接受器采集；使用双光束方式的时候，两路采集均使用，实验数据为测量信号与参考信号的比。

“步进电机Ⅰ”、 “步进电机Ⅱ” 和“步进电机Ⅲ” 分别与控制软件中所示的电机1，2，3对应。接具体的电机可由用户根据需要自定。

USB 连接电缆接口

3.4 仪器的摆放：

在仪器的摆放中，可以根据不同的实验需要任意摆放。但必须注意以下几点：

3.4.1 激光源发出的光束应平行于工作平台的工作面，并保证其中心高度在200mm 左右。

3.4.2 光束应通过放入光路中的部件（格兰棱镜、分束镜、接收器等）的中心。保证信号光、参考光垂直入射到接收器上。

3.4.3 粗调后，启动软件，显示器显示曲线。若曲线噪声大，可以首先检查信号光束是否进入接收器靶面中心，而后停止格兰棱镜支架的转动。操作软件记录的曲线若此时平直光滑，即说明激光光源无问题，反之则有问题，此时可更换光源。

3.4.4 实验中，若格兰棱镜旋转360o过程中出现二极大值不相等时，微微转动格兰棱镜的支架，改变入射光的入射角，即可获得满意的效果。本系统备有绕Z轴旋转的基座供选用。

3.4.5 双光束工作时，若出现溢出或不正常现象，可以将分束镜的位置改变，即将分束镜转一个面（即转180o），并将分束镜与光束所成的角度微微变化一下。若仍不理想，可将二个接收器对调。

3.4.6 调整光束是否对准接收器的靶面，可将接收器前的毛玻璃盖拧下，使光束对准靶心。

3.4.7 三个带步进电机的调节架可安装格兰棱镜或λ/4（或λ/2）波片，使用者可自行更换。更换只需拧开紧固螺钉即可。

3.4.8 电箱有很多联线插头，注意先关掉电箱开关再接线或拔线。

下面为仪器的部件:

氦氖激光器及调节架

波片及调节架半透半反镜及调节架格兰棱镜及旋转架接收器及调节架

下图是一般实验所采用的仪器摆放方式。用来提供参考光的分束器应放置在起偏器后面（特别是在非线偏振的激光器作光源采样时），这样可以最大程度地减小激光器的输出功率不稳和输出偏振态改变对测量的影响。我们提供的氦氖激光器有稳功率电路，可不用分束镜和参考光信号接收器，只需单光束测量即可。

开机后启动配套软件，打开电控箱的开关，即可进行实验。之后，可通过控制程序中的电机标志图标来控制步进电机的运动。

3.5 应用软件的安装：

在光驱中插入光盘,会自动弹出如下画面(如果没有弹出,则到光盘根目录下执行autorun.exe 文件

);

点击“驱动程序”按钮，显示下图：

选择“SGP-Ⅰ偏振光实验系统”,则开始安装偏振光系统的驱动程序。

安装程序首先显示如下欢迎窗口：

点击按钮，弹出选择程序文件夹窗口：

可以用缺省值，点击按钮，弹出拷贝文件窗口：

当文件拷贝完，系统又弹出如下确认结束窗口：

点击按钮，结束安装，此时可以在开始/程序下找到“偏振光”项，其弹出菜单中有程序的快捷方式。

3.6 USB驱动程序的安装：

USB接口是计算机和仪器数据交换的通道，在使用应用程序之前要先安装USB接口的驱动程序。安装步骤如下：

3.6.1将提供的“驱动程序”光盘放入光盘驱动器中；

3.6.2把USB连接线连接计算机和仪器；

3.6.3打开仪器电源，计算机会显示安装向导；

3.6.4选择指定目录安装，目录为“X:\USB-DRIVER”，按照系统提示操作至结束。在此过

程中，如果系统提示插入驱动程序盘或找不到文件，您只需要再次指定前面的安装路径即可。

4

操作方法

4.1 启动软件

软件安装后，会在“开始”菜单中的“程序”选项下出现“偏振光实验平台”菜单。点击该菜单下的“偏振光实验平台”菜单项，将启动偏振光实验的软件控制处理系统。（在进行该操作前,一定确认电控箱开关已经打开）

进入系统后，首先出现一友好界面（如下图4-1），等待用户点击鼠标、单击键盘上的任意键或等待十秒钟；当接收到鼠标、或键盘事件、或等待五秒钟后，马上显示工作平台，此时可以进行控制操作了。

上面几步完成后，就可以在偏振光实验平台上工作了（平台如图4-2）：

图4-1

图4-2

主工具栏

工作区

状态栏

参数区

4.2 退出工作平台

4.2.1单击平台的“文件”菜单下的“退出”选项。

4.2.2在平台处于活动状态时，按热键“ALT+X”。

4.2.3用鼠标左键点击平台右上方的关闭扭。

4.3 工具栏说明

主工具栏及辅工具栏各由一组工具按钮组成，分别对应某些菜单项或菜单命令的功能，用户只需用鼠标左键单击按钮，即可执行相应的操作或功能。以下是各工具按钮的功能简介：

主工具栏：

重新建立一个实验文档。

打开一个已经存在的数据文件。

保存当前实验文档。

按照设置进行工作（包括电机转动和采集）并弹出一个数据显示对话框。

除了控制偏振片的电机转动外，不做任何工作。

在当前环境下，以时间为横坐标进行扫描，定点扫描能量随时间的变化关系，

记录结果不保存。

角度检索

当选择该项后，“左转电机”和“右转电机”按钮处于可操作状态；再选择该项，

“左转电机”和“右转电机”按钮又处于不可操作状态。

逆向转动电机。

顺向转动电机。

选择一号电机。

选择二号电机。

选择三号电机。

是否做归一化处理。

显示相对能量，先测量一个基准值定为“1”，其它采集的数据与之进行比较，

或自动的以极大值为“1”显示出相对能量。

直角坐标与极坐标之间转换。

当选定该项时，工作在双光束方式下；当未选定该项时，工作在单光束方式下。

帮助/关于。

读取当前记录中的各个数据项。

平滑当前记录中的数据。

I与θ的关系曲线。

I与β的关系曲线。

归一化。

移动坐标。

4.4 工作

4.4.1 菜单栏及功能

菜单栏中有“文件”、“工作”、“设置”、“调整”、“数据处理”、“帮助”等菜单项。单击这些菜单项可弹出下拉菜单，利用这些菜单即可执行软件的大部分命令。下面简单介绍菜单栏中各个菜单的功能。

4.4.2 “文件”菜单

点击菜单栏中的“文件”项，弹出如图4-3的下拉菜单。

图4-3

4.4.2.1 新建

执行该命令，系统将删除之前的所有实验数据，重新建立一个实验文档。

4.4.2.2 打开

利用软件的打开功能可以打开已有的数据文件，执行该命令后，系统弹出如图4-4所示的“打开”对话框。

图4-4

在对话框中，可通过“搜寻”下拉列表框确定数据文件所在的位置。在“文件类型”下拉列表框中可确定要打开的数据的类型。如果要打开某一数据文件，请在“文件名”编辑框中输入文件名或单击此文件，然后单击“打开”按钮。

单击“取消”按钮关闭对话框，不执行其它操作。（以下对话框中的“取消”按钮功能与此相似，将不再介绍。）

4.4.2.3 关闭

执行该命令，系统将关闭当前实验文档。

4.4.2.4 保存

执行该命令，系统将把当前文档中的数据保存到对应的数据文件中。

如果当前文档无数据,会弹出如图4-5所示提示框；有数据则弹出选择文件名对话框（如图4-6）。

图4-5

图4-6

4.4.2.5 打印设置

设置打印机的属性及打印参数（如图4-8）。

图4-8

4.4.2.6 打印预览

显示打印时文件的外观（如图4-9）。

图4-9

4.4.2.7 打印

打印当前的数据文件，打印结果同预览中的结果。

4.4.2.8 清除本次实验记录

把实验结果清除。执行该命令，弹出如图4-10提示框，点击“是”按钮，则删除本次实验结果，点击“否”按钮，则取消该操作。

图4-10

4.4.2.9 退出

执行该项将退出偏振光实验平台控制处理系统。

4.4.3 “工作”菜单

点击菜单栏中的“工作”项，弹出（如图4-11）下拉菜单。

图4-11

4.4.3.1 开始采集

按照设置进行工作（包括电机转动和采集），执行该命令，采集的数字信息显示在窗口的右下角，同时在工作区中绘出曲线。

4.4.3.2 电机空转

使电机带动偏振片旋转，直到用户干预才停止（最多转1080度）。

4.4.3.3 定点扫描

在当前环境下，以时间为横坐标进行扫描，记录结果不保存。只把数据点显示在屏幕上，形成一条动态变化曲线。执行该命令，系统弹出如图4-12所示的提示框。点击“开始”按钮，进行采集.在采集过程中，按“停止”键结束采集。

图4-12

4.4.3.4 停止

停止采集。

4.4.3.5 角度检索

转动一个或多个已选择的电机，使其带动的偏振片或波片转到某一角度上。执行该命令，系统弹出如图4-13所示的“角度检索”对话框。若选择“使检索到的角度为零基准”复选框，检索结束时会使当前点为0角度，并清空历史数据,在输入框中输入所要检索到的位置，点击“确认”按钮，光标变为时钟漏斗状，同时电机旋转。当检索结束时，光标又变为缺省状态，并且弹出如图4-14所示对话框。点击“取消”钮，则直接关闭角度检索对话框.

图4-13 图4-14

4.4.3.6 启动手动机构

选择该项后，“左转电机”和“右转电机”按钮处于可操作状态；再选择该项，“左转电机”和“右转电机”按钮又处于不可操作状态.

4.4.3.7 左转电机

逆向转动电机，击下该项后，选定的电机逆向旋转,当松开时，电机停止旋转.

4.4.3.8 右转电机

击下该项后，选定的电机顺向旋转。当松开时电机停止旋转。

4.4.4 “设置”菜单

点击菜单栏中的“设置”项，弹出如图4-15的下拉菜单

图4-15

4.4.4.1 一、二、三号电机

当选择一至三号电机中的一个或多个后，在工作时被选择的电机将按设置运转。

4.4.4.2 双光束方式

当选定该项时，工作在双光束方式下；当未选定该项时，工作在单光束方式下。

4.4.4.3 切换坐标

切换显示坐标,使在迪卡尔坐标和极坐标之间切换.

4.4.5 “调整”菜单

点击菜单栏中的“调整”项，弹出如图4-16的下拉菜单。

图4-16

4.4.

5.1 使用归一化常数

选择该项后，在采集数据时，可以测量归一化常数，对数据进行归一化。

4.4.

5.2 测量归一化常数

测量一个基准值，在工作测量时，所有采集与之进行“除”操作，以得出相对能量，当选择了可作归一化菜单项后，该项才处于可执行状态。执行该命令，系统弹出如图4-17的对话框，表示测量结束。

图4-17

4.4.

5.3 记录暗电流

记录当前环境的杂光，以便在采集时扣除，同时弹出如图4-18和4-19所示对话框。

图4-18

图4-19

4.4.

5.4 消除暗电流记录

删除掉当前的暗电流记录，

4.4.6 “数据处理”菜单

点击菜单栏中的“数据处理”项，弹出如图4-20的下拉菜单.

图4-20

4.4.6.1 读取数据

读取当前记录中的各个数据项，如果记录中没有数据，则弹出图4-21所示的对话框。反之，在屏幕上出现一条标志当前读取数据位置的红线，可以使用“←”键向小角度方

向读取，使用“→”键向大角度方向读取，使用“Page Up”、“Page Down”可以大间隔的移动读取位置，按鼠标键右键退出读取数据状态。

图4-21 图4-22

4.4.6.2 平滑

平滑当前记录中的数据，如果记录中没有数据，则弹出如图4-22所示的对话框。4.4.6.3 归一化

对已有曲线（当前显示的）进行归一化。

4.4.6.4 移动坐标

重新定位零角度的位置。

执行该命令后，出现与读取数据相似的操作，即使用“←”、“→”或“Page Up”、“Page Down”来控制位置，按“Esc”键取消该操作。当选择好零位置后，点击“Enter”键，弹出如图4-23的确认窗口，点击“是（Y）”按钮，开始执行操作；点击“否（N）”按钮，则取消该次操作。

图4-23

* 当前角度位置也会随之改变（使用β角的位置记录方式）。

4.4.6.5 SQRT（I）——θ

对当前曲线的能量I进行开方计算，得出I－θ的关系曲线。

实验装置及各方向之间的关系如图4-24。初始时起偏器P1和检偏器P2的偏振化方向正交，1/4波片的光轴与起偏器P1的偏振化方向夹角为α，θ为实验采样时，检偏器P2的偏振化方向与其初始时方向之间的夹角。

图4-24

如按上图实验，透过检偏器的光强为

()[]()[]{}

2

20sin cos cos sin 2/θααθαα+++=I I （1）

4.4.6.6 SQRT （I ）——β

以上作出I －θ的关系曲线并不是椭圆曲线，因而也就不能直接验证椭圆偏振光的存在，其原因是椭圆曲线的极角对β并不一定等于转角θ。说明如下：

对椭圆曲线，θcos a x =，θcos b y =

矢径 ()2

222s i n )c o s (θθ

b a y x r +=+= （2） 极角为 θβt a n t a n

a

b

x y == （3）

由式（2）可见，只有当a = b 时（即为圆时），β才等于θ。这就是I －θ曲线不是椭圆的原因（当α=π/4时，为圆）。因此，做出椭圆曲线的关键是找出对应的极角。通过比较式（1）和式（2），

我们得到极角的正切应为

()αθαβtan /tan tan += （4）

极角

()[]()[]()[]??

?

??+++++=παθαπαθααθαβ2tan /tan tan tan /tan tan tan /tan tan arc arc arc πθαπαπθαπα

πθ22/32/32/2/0 ≤--≤--≤ （5）

其中反三角函数均取主值。

这样处理实验数据可以直接验证椭圆偏振光的存在，因此，软件给出I －β的关系曲线。

执行该命令后，系统弹出如图4-25所示的α

角度输入窗口，输入α角度大小后点击“确定”按钮，则系统自动计算并绘制曲线。

图4-25

* 该数据处理的方法，请参阅《大学物理》2000年第7期，吴亚平“椭圆偏振光直接实

验验证的数据处理方法”文献。 4.4.6.7 马吕斯定律

根据实验数据验证马吕斯定律。

执行该命令后，系统弹出如图4-26所示的提示对话框，

图4-26

如果零角度处不为极小值，则点击“取消” 按钮，关闭该对话框，使用“移动坐标” 功能把零角度移动到某一极小值处，再执行该命令；反之，点击“确定”按钮。弹出如图4-27所示的窗口。

“显示窗”中的横坐标为COS 2θ，纵坐标为相对能量。蓝色斜线为马吕斯定律的理论曲线，由序号标记的红色圆点为实际测量值，其相应的数据信息显示在右侧的“数据列表框”中。

图4-27

4.4.7 角度输入

执行该命令后，弹出如图4-28的对话框，在“采集间距”下拉列表框中，有0.05°、0.10°、0.50°、1.00°、2.00°。“旋转角”编辑框表示采集时电机旋转多少度后自动停止。

图4-28

4.4.8 “帮助”菜单

点击菜单栏中的“帮助”项，弹出如图4-29的下拉菜单 。

图4-29

选择该项后，显示如图4-30所示的提示框，提示有关本软件的一些信息。

图

4-30

5仪器成套性