李林鵬,楊 蘭,東姝瑋，楊胡江

(北京郵電大學(xué) a.理學(xué)院;b.信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)

基于Android手機(jī)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(xué) a.理學(xué)院;b.信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)

利用Arduino uno單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及智能手機(jī)自帶的傳感器等自制實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了對光線強(qiáng)度、斯托克斯參量等的自動測量和數(shù)據(jù)實(shí)時處理，驗(yàn)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(yàn).

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

在傳統(tǒng)的物理光學(xué)偏振光與波片實(shí)驗(yàn)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(fèi)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改造:借助手機(jī)傳感器進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，同時利用Arduino uno單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)開發(fā)了基于Android的實(shí)驗(yàn)軟件、自動旋轉(zhuǎn)檢偏器和基于手機(jī)光強(qiáng)傳感器的測量裝置. 該系統(tǒng)實(shí)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(shí)時處理，提高了實(shí)驗(yàn)操作的效率和測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[1-2].

1 實(shí)驗(yàn)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(shè)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(qiáng)度為[3]

I=I0cos2α,

式中I0為入射光的強(qiáng)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(guān)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(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)裝置

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

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

檢偏器的控制部分主要分為2個模塊，分別為步進(jìn)電機(jī)模塊和藍(lán)牙傳輸模塊.

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

藍(lán)牙傳輸模塊是該裝置中的重要模塊，由Arduino單片機(jī)利用藍(lán)牙模塊與手機(jī)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(jìn)電機(jī)，以控制偏振片旋轉(zhuǎn).

2.1 手機(jī)檢測光強(qiáng)原理

目前，智能手機(jī)都帶有光線感應(yīng)器. 光線感應(yīng)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(yīng)器，接收感應(yīng)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(jī)軟件測量光強(qiáng)原理：首先獲得系統(tǒng)傳感器服務(wù)許可，其次調(diào)用其中的光感器服務(wù)，監(jiān)測光感器數(shù)據(jù)，同時在測量點(diǎn)讀取光感器數(shù)據(jù)(單位為mV)，共讀取10次光強(qiáng)值，去掉最大值和最小值，剩余的值求平均值，即為光強(qiáng)值. 得到該角度的光強(qiáng)值后，將數(shù)據(jù)儲存至手機(jī)內(nèi)存并做圖.

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，反注冊，釋放資源.

2.2 手機(jī)軟件功能介紹

手機(jī)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(yàn)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(shí)驗(yàn)時，軟件默認(rèn)為自動修改偏振片旋轉(zhuǎn)角度.

當(dāng)選擇驗(yàn)證馬呂斯定律時，手機(jī)會在0°～90°的范圍內(nèi)每隔10°向單片機(jī)發(fā)送1次旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)并由手機(jī)光線感應(yīng)器得到光強(qiáng)數(shù)據(jù)，且將這些數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系內(nèi)制圖.

當(dāng)選擇觀察不同偏振光性質(zhì)時，手機(jī)會在0°～360°的范圍內(nèi)每隔2°向單片機(jī)發(fā)送1次旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，并由手機(jī)光線感應(yīng)器得到光強(qiáng)數(shù)據(jù)，最終將這些數(shù)據(jù)在極坐標(biāo)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(dāng)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(jī)會將該數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，其他原理與上述原理一致.

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 驗(yàn)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(diǎn)的直線，說明角度余弦值的平方和電流(光照)強(qiáng)度成正比關(guān)系，驗(yàn)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(qiáng)度成正比關(guān)系，驗(yàn)證了馬呂斯定律.

圖3 驗(yàn)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(guān)系數(shù)為r=0.997 3，本裝置測量數(shù)據(jù)的直線擬合相關(guān)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)分布

通過偏振片每旋轉(zhuǎn)一定的角度測得的光強(qiáng)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(qiáng)分布. 由圖4可以看出，兩者的光強(qiáng)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(qiáng)分布圖更符合圓偏振光的特性，較手動測量所得的光強(qiáng)分布圖更準(zhǔn)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(qiáng)分布圖

3.3 環(huán)境光強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，由所得數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)境光強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響較明顯，但對相對光強(qiáng)的影響在6%之內(nèi). 由于本實(shí)驗(yàn)只需要得到相對光強(qiáng)變化曲線，并不要求絕對光強(qiáng)，所以本裝置可以滿足需要，只需在進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)時，避免其他激光源對手機(jī)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(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可高效、可靠地通過數(shù)字化的測量方式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，提高了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的效率與準(zhǔn)確性. 同時，該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)果顯示直觀清晰，性能穩(wěn)定，手機(jī)的發(fā)展和普及也使該實(shí)驗(yàn)裝置測量方便、準(zhǔn)確，對今后物理學(xué)實(shí)驗(yàn)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合與發(fā)展將大有裨益.

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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(xué)校物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文

2017-06-20；修改日期2017-10-12

北京郵電大學(xué)大學(xué)生研究創(chuàng)新基金項(xiàng)目(No.201710013038);北京郵電大學(xué)教改項(xiàng)目(No.

2017JY43)

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

指導(dǎo)教師：楊胡江(1976-)，男，四川樂山人，北京郵電大學(xué)理學(xué)院副教授，博士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作.

O436.3

A

1005-4642(2017)12-0029-03

任德香]