基于LabVIEW的“马吕斯定律验证”实验

王建中,黄 林,王伶俐,王应辉

(华中师范大学,湖北武汉 430079)

基于LabVIEW的“马吕斯定律验证”实验

王建中,黄 林,王伶俐,王应辉

(华中师范大学,湖北武汉 430079)

对基于PASCO的“马吕斯定律验证”实验进行了改进。利用编写的LabVIEW程序控制PASCO实验系统的ScienceWorkshop750数据采集器,同时结合光传感器CI-6504验证马吕斯定律,实验数据用Origin软件进行处理,所得实验曲线与理论关系符合较好。

马吕斯定律;LabVIEW;光的偏振

马吕斯定律是定量描述光的偏振现象的重要定律。在大学本科阶段的物理实验中,一般都以不同形式开设了有关偏振光性质的演示、测量或探究类的实验选题[1],其中大多包含“马吕斯定律验证”的内容,目的是为了帮助学生加深对该定律的认识以及对偏振光的了解[2]。

曾采用PASCO实验系统在我校本科生实验中开设过“马吕斯定律验证”的内容。但在实验教学中发现,该实验需采用性能较高的光传感器和偏振片,否则会造成实验测量值与理论值差距较大。同时也发现使用PASCO实验系统自带的DataStudio程序及相应光学组件进行实验时,系统存在一些缺陷,主要有以下两个方面:其一是系统只能以程序预设的功能进行数据采集与实验,同时程序自带的某些功能在实验中并不一定需要;其二是利用DataStudio程序绘制偏振片透振方向夹角余弦的平方值与相对光强间的关系曲线时,实验所得曲线与理论曲线相比误差偏大。分析主要原因应该是由于PASCO实验系统的DataStudio程序在绘制曲线时,没有将采集过程中误差较大的点进行剔除,因此需要做必要的改进。

LabVIEW是美国NI公司开发的图形化编程语言,因其编程简单而得到广泛应用[3-4]。利用各硬件厂商在LabVIEW环境下开发的驱动,可以实现对相关硬件的控制从而进行数据的采集和测量。PASCO实验系统已由生产商在Lab-VIEW环境下开发了相应的驱动程序,用其控制ScienceWorkshop750,同时结合光传感器 CI-6504A及相应光学组件进行实验,取得了较好的效果。

1 原理与装置

当一束自然光通过偏振片A和B,见图1。

图1 马吕斯定律示意图

设偏振片间的透振方向夹角为φ,经过起偏器A形成的线偏振光强度为I0,则通过检偏器B的透射光强(相对光强)I将满足如下关系(马吕斯定律)[5]:

I=I0cos2φ(1)

可以让学生用实验手段验证或者探究(验证)该定律。

图2 实验装置结构框图

本实验测量装置是“基于LabVIEW”开发的,其结构示意框图(各部件连接方法)如图2所示。氦氖激光器作为实验光源,激光依次通过偏振片A和B后,透射光强(相对光强)利用我们编写的LabVIEW应用程序控制ScienceWorkshop 750,并结合 CI-6504A进行测量。测量完毕之后,将采集到的实验数据通过程序传送至Origin软件中进行处理,即可得到偏振片透振方向夹角余弦的平方值与相对光强之间的关系曲线,同时也可得到透振方向的夹角与相对光强之间的关系曲线。

2 实验控制程序设计

实验的LabVIEW应用程序按功能可划分为四个模块,分别是光强测量模块、角度测量模块、数据传递模块、数据清零模块。其结构框图如图3所示。

图3 实验程序结构框图

2.1 光强测量模块

本模块在编写过程中,利用了 PASCO公司提供的 PASCOSW750.llb和 SW750Bridge.dll两个文件。在PASCOSW750.llb文件中包含一些可以对ScienceWorkshop 750进行控制的vi,我们主要用到了其中的三个:SW750_Config.vi、SW750_Start.vi和 SW750_Single_Scan.vi。通过对它们的调用,并结合光传感器CI-6504A,即可实现相对光强的测量。

2.2 角度测量模块

偏振片上的刻度是10度一格,实验时选取偏振片透振方向夹角为零时作为起始位置,在检偏器每旋转10度测量一次相对光强的同时,偏振片透振方向夹角 φ的值由程序按10度(或20度……)的步进自动增加并存储。

2.3 数据传递模块

LabVIEW和Origin数据传递通过调用Origin程序提供的 OA-Connect ToOrigin.vi、OAFindworksheet.vi、OA-GetColumn.vi以及 OACol-SetData.vi(它们均包在Origin程序安装路径下的OriginApp_LV7.llb文件中)等四个vi来实现。通过它们可将偏振片间透振方向夹角的大小(或夹角余弦的平方值)以及所对应的相对光强值传送到Origin中进行处理。

2.4 数据清零模块

在实验完毕后,将采集到的所有实验数据清空,方便下次测量。

本实验的LabVIEW应用程序前面板图和程序框图分别见图4、图5。

图4 实验程序的前面板

图5 马吕斯定律验证系统的程序框图

前面板主要由实验数据显示区和程序控制区两部分组成。实验数据显示区的主要作用是将偏振片间透振方向的夹角和与其对应的相对光强一同显示出来,方便学生观察。而程序控制区的主要作用是在实验完成之后,由学生选择利用Origin生成偏振片透振方向的夹角与相对光强关系曲线或者是夹角余弦的平方值与相对光强关系曲线。

3 实验测量

本文前面已提及,PASCO实验系统提供的偏振片刻度是10度一格,实验时将偏振片间透振方向夹角为零时作为起始位置(此时相对光强值也最大),起偏器固定不动,只旋转检偏器,每旋转10度测量一次相对光强。当然也可以每旋转20度、30度……测量一次,但这样旋转一周采集的点较少,描绘实验曲线时精确会下降。在实际测量中,偏振片透振方向夹角φ的值由程序按10度的步进自动增加并存储。

相对光强 I的测量则依靠光传感器 CI-6504A,它能将光强变化转为电压变化,且在量程范围内呈线性关系。所以在测量相对光强时,可直接将CI-6504A的输出电压大小作为相对光强的值。实验过程中测得的所有数据(偏振片透振方向的夹角、夹角余弦的平方、相对光强)在程序中均以数组形式存储。表1是从中摘录出的实测数据。

表1 在不同夹角下(起偏器A与检偏器B透振方向的夹角)测得的相对光强

利用实验程序,得到偏振片间透振方向夹角φ与相对光强的关系曲线,以及透振方向夹角 φ的余弦平方值与相对光强的关系曲线(如图5和6所示)。需要指出的是,在获得图6所示曲线过程中,为了减少偏振片和环境光造成的误差,提高绘制曲线的准确程度,我们仅利用了 φ在0°～90°(当然也可以取90°～180°……等)范围内的实验数据来绘制该曲线。从两条关系曲线可知与马吕斯定律符合较好。

图6 相对光强与夹角的关系

图7 夹角余弦的平方与相对光强的关系

4 分析与讨论

从以上实验及其结果可知,实验整体效果较好,对实验的改进是有效的。在学生与教师对实验的共同探讨过程中,也发现了一些值得进一步探讨的问题。

首先从图5以及表1可以发现,当偏振片透振方向的夹角 φ在0°～360°范围内变化时,相对光强的大小与夹角间的关系并不严格满足I=I0·cos2φ的函数关系。由表达式(1)以及三角函数的周期性可知,当夹角 φ分别取0°和180°(或10°和190°……等)时,相对光强的大小应该一样,但实际上它们之间存在一个微小的差异。其次从图6可以看出,其函数关系并非严格的线性关系(即一条直线),只在0°～80°范围内呈线性关系,在这个范围之外,直线的上端和下端都略有弯曲。

我们认为造成如图5图6所示曲线与理论曲线略有偏差的可能原因有三。其一是受目前制造工艺制约[6],偏振膜染色的均匀性还无法做到严格一致,每个地方都略有不同,而这会直接影响到偏振片的偏振度和透过率。如果激光束没有照射到偏振片的圆心上,随着检偏器的旋转,激光束会依次照射到其不同部位,并且受制造工艺制约,在偏振片的透振方向为时依然有光通过。其二是受环境光的影响,实验所测量的相对光强仅仅指透过检偏器的“激光光强”,但在测量过程中,由于环境光的影响,“相对光强”值中有一部分是环境光,在偏振片透振方向的夹角较小时,其影响可以忽略,但当透振方向的夹角较大时,影响就不能忽视。其三是由于受光传感器热噪声的影响(其大小有一定的随机性),即使在入射光光强为零时,依然有读数显示。综上所述,受以上三种因素的共同影响,造成图5图6所示曲线与理论曲线相比略有不同。

最后需要特别指出的是,偏振片经过长期使用(或性能本身较差),还必须额外考虑其退偏效应,否则也会给实验带来一定误差。

[1]谢行恕,康士秀,霍剑青.大学物理实验:第二册[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]路峻岭.物理演示实验教程[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]龙华伟.LabVIEW 8.2.1与DAQ数据采集[M].北京:清华大学出版社 ,2008.

[4]陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5]姚启钧.光学教程[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6]龚建勋.偏振片研究进展[J],液晶与显示,2004,19(4):259-264.

Based on LabVIEW’s Malus’Law Experiment

WANGJian-zhong,HUANG Lin,WANG Ling-li,WANG Ying-hui

(Huazhong Nomal University,Wuhan 430079)

In this paper,the author makes an improvement in based on Pasco’s the“Malus Law”experiment.The researcher has taken the experiment with the LabVIEW program control PASCOsystem Science Work shop 750 data acquisition in conjunction with the application of the optical sensor CI-6504tOverify the Malus law.The experimental data has been processed by the Origin software.As the result,the experimental curve is in good agreement with the theoretical relationship.

Malus law;LabVIEW;polarization

O4-33

A

1007-2934(2011)04-0066-04

2010-12-10