线偏振光是实验中很常用的光线。本文从理论和实验上讨论一种通过多个传感器来实现的结构简单、价格低廉、可动态测量的测量线偏振光角度的新方法。传统的测量线偏振光角度方法只设一个检偏器和传感器。在光路中放置一偏振片,旋转偏振片直到被测偏光片光线透过率最小,就是正交角度。如果使用多个传感器,分别测量不同检偏器角度下的光强度,可以计算出被测线偏振光的角度,就不需要对偏振片进行机械旋转。
线偏振光的被测角度范围为0°—180°。以三个传感器进行设计,检偏器角度分别为0°、120°、240°,即可完整获得三个检偏角度器的光强度值。根据计算可得出被测线偏振光的角度。如果被测的线偏振光进行法向旋转,则三个传感器的数值都会变化,可以计算得出线偏振光法向旋转的角度。
根据马吕斯定律,通过检偏器的光强和偏振角度余弦平方成正比。可以算得检偏器在不同角度下的光强度,根据比值来求得被测线偏振光的角度。被测偏振光的角度在0°-180°之间,可以分为三种情况:
1).当传感器A测得光强度最强时,被测线偏振光的角度在150°—180°、0°—30°之间,可以通过传感器B和传感器C的光强度比值计算得出;
2).当传感器B测得光强度最强时,被测线偏振光的角度在90°—150°之间,可以通过传感器A和传感器C的光强度比值计算得出;
3).当传感器C测得光强度最强时,被测线偏振光的角度在30°—90°之间,可以通过传感器A和传感器B的光强度比值计算得出。
以第一种情况为例,有以下数学推导:
同理可计算得出其他两种情况的角度值。
为验证该方法,使用三组GY-30光强度传感器制作一套实验设备。使用89C52单片机,通过液晶显示屏实时显示三个传感器接收到的光强度数值和按照以上算法计算出来的角度。已从实验上验证了这一测量方法的可行性。
此新方法设备简单,成本低廉,技术成熟。由于算法使用光强度数据的比值,与光强度的绝对值无关,所以实验光路中的散射、透射、半反射都不会对结果造成影响;只需要要检偏器消光比一致即可,对偏振片的消光比要求不高;仅需调整三个偏振片的角度,不用调整传感器本身的角度。
但这一方法也存在若干缺陷:三个传感器彼此之间有一定距离,实际使用中一般需要对光线进行扩束;每个光强度传感器的灵敏度需要事先调节保持一致;偏振片的消光比需要保持一致,角度需要固定。因为无法准确测量相位,因此我更倾向于讲此方法应用于低成本解决对精度要求不高的测量场景。
这种多传感器的思路和算法也可应用于光栅等其他的光学测量方法的设计上,具有广阔的应用前景。
本文讨论的方法构思于我在华南师范大学就读本科期间,并以此为毕业论文的课题。华南师范大学拥有国内最好的光电专业,感谢母校对我大学四年的栽培。毕业论文期间,导师吕晓旭教授非常重视这一课题,十分认可这一方法的创新性,并鼓励我申请专利。感谢教授指导,有幸荣获当届优秀毕业论文。
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