“散射光偏振态检测水质”课题结题报告.doc

“散射光偏振态检测水质颗粒含量的理论与实践研究”课题结题报告光极课题组执笔：梁美怡课题负责人：梁美怡指导老师：冯杰（华南师范大学，物电学院，副教授）彭力（华南师范大学，物电学院，助教）课题组成员：丁友根张俊莲尹凤婷刘斌1、课题研究的意义 用椭偏仪测量水中颗粒的大小，在现代光学研究上具有重要的实际意义。随着工农业的发展，测量水中颗粒的大小是工农业生产中的控制因素。因此，椭偏法和水中颗粒大小测量的研究是有现实意义的。使光学从课堂和实验室走进现实生活，提高我们发现问题，分析问题，解决问题的能力，开拓我们的思维。2、课题研究的理论依据利用在测量散射光的偏振性时，自然光的矢量在oyz平面内沿着一切可能的方向振动，可平均地分解成y和z两个相等的分量6 。入射偏振方向为y方向的线偏振光时，在oxy平面出射的是y方向的线偏振光；入射偏振方向为x方向的线偏振光时，在oxy平面出射的是x方向的线偏振光。因此，在实验时可把水平和垂直两方向上的y和z两相等的分量替代常在光学实验中使用的自然光，以此为依据设计新的实验方法来测量散射光的偏振度。 用散射光的偏振特性来测量溶液的颗粒线度。利用微粒散射自然光时，正侧方向的散射光都是线偏振光，且振动面垂直于入射光束的传播方向的性质，通过对正侧方向散射光的光强和偏振度的测量 ，探究其与散射颗粒线度之间的关系，从而根据有关Mie散射理论，寻求颗粒物线度的测量方法。3、课题研究的目标通过课题研究,获取事实,发现规律,发展理论,探索偏振叠加发在现代光学中的运用,并在实际中实施,在此基础上,收集相关资料数据,不断总结反思,积累一批有价值的实验资料与实验数据. 通过课题研究推进偏振度测量的改进,提高偏振度测量的准确度.通过课题研究培养创新精神和实践能力;促进合作能力,建立严谨的科学态度和科学道德,提高信息素养和学习能力.坚持做到理论学习与实践研究相结合,课内与课外相结合,以点带面,辐射到所有学科。通过课题实验,撰写水平较高的论文.4、课题研究的主要内容第一，改进测量散射光偏振度的方法；第二，分别从理论和实验上，由散射光偏振度的测量，探究其与颗粒线度的关系。5、课题研究的方法实验研究法我们主要选取普通物理中的光学和光散射技术作为实验研究科目,邀请了冯杰副教授作为我们的理论指导老师，以及彭力老师为实验指导老师，挑选梁美怡、丁友根、张俊莲三位动手能力比较强的同学作为主要的实验队伍，由尹凤婷和刘斌负责行政工作和实验仪器的联系和调查。实验的同学根据实验的特点及其理论依据设计方案并进行实验，再在实验后进行总结反思,把实验中遇到的问题提出来,互相研究,探讨.最后把研究所得运用到实验中,不断地完善实验方法，.即完成设想-实践-反思-再实践的实验过程.理论分析法在已掌握的光学知识基础上，通过上网、到图书馆查找资料、咨询老师及相关人员等各种方法，研究该实验相关的理论依据。经过不断的尝试终于确定了以Mie散射理论，寻求颗粒物线度的测量方法6、课题研究的步骤及主要过程；(一)准备阶段(2005.92005.11)1,论证定题,编制方案。2.依据原理，查找相关资料与书籍进行理论探究。3.建立实验装置，购置实验器材（购买硅光电池等）(二)实施阶段(2005.112006.5)1.在仪器的选择和实验装置设计方面，我们使用He-Ne激光器作为入射光源；为了方便研究透射光的偏振度与出射角的关系，选择使用分光计，即：将盛有溶液的柱形容器放在载物平台上，且使容器与载物平台共轴，通过旋转望远镜，即可在不同的出射角处观察透射光的偏振度。2.在实验过程中，我们尝试了不同的悬浊液和溶液。例如，让He-Ne激光通过用面粉、花粉以及墨水调成的悬浊液，并且分别改变它们的浓度，再观测透射光在不同出射角的偏振度，此时发现效果不是很理想，。于是我们改用了低浓度的Fe（OH）3胶体进行实验，发现效果比较理想；为了精益求精，后来我们又用聚苯乙烯微球的标准液进行了实验。3.在光学实验中，样品池的选择对实验结果是有决定性影响的，我们先是选用普通烧杯，作样品池，后来发现效果不佳，又改用了载玻片和盖玻片，可是这样测量范围就比较少，最后选用了精密仪器配套用的样品池。4.在实验方法的选择方面，一开始，我们采用的是传统的方法测量偏振度，即在上图的24之间安装一块偏振片，让出射光经过偏振片而被接收窗所接收，然后转动偏振片，测量透射光光强的最大值Imax和最小值Imin，然后利用公式即可求得沿不同出射角的透射光的偏振度。在实验过程中我们发现：传统方法在实际操作时，存在着很大的不足和缺陷：透射光通过偏振片时，光强大大减弱，从而给测量带来了比较大的困难；由于微弱的本底光强的存在,在测量弱光光强时，所得数据得准确性也大大降低。为了减小误差，增强实验得可操作性，我们采用了偏振叠加法。在此期间我们也选用过很多其他的方法，比如测量衍射光斑间距、用多个激光源从不同角度同时照射样品等方法，但均以失败告终。(三)评估阶段(2006.52006.6)收集、整理实验数据,做好各种资料的汇总,撰写结题报告和论文. 7、课题研究成果；在该实验中，我们使用氢氧化铁胶体样品作散射粒子场，来测量散射光偏振度这种新方法。线偏振光分两次测量的偏振叠加法，比传统用自然光入射，偏振片作检偏器测量偏振度的方法更优越，不但节省了测量成本，而且提高了测量的范围。已经从理论和实际上证实了偏振度的确跟微粒线度有关，但还没具体，完美得做出来已经攥写了一篇论文，并在投稿中。第二篇论文正在着手中。8、课题研究存在的主要问题及今后的设想。精确度还不够高，在实验中难以对准，而且侧光仪器精确度不够高。以经费不够，无法订做仪器。设想完成第二篇论文，订做光学元件，作出可以测量颗粒线度的仪器。主要参考文献:Carswell A I, Pal S R。 Polarization aniso tropy in lidar mul-tiple scattering from atmospheric clouds J。 Applied Optics, 1985, 24(17):3464-3471。Cheung R T, Ishimaru A。 Transmission, backscatter-ring and depolarization of waves in randomly distributed spherical particlesJ。 Applied Optics 1982, 21(18):3792-3798Kostuk R K, Sincerbox G T。 Polarization sensitivity of no-ise recorded in silver halide volume hologramsJ。 Applied Optics, 1988, 27(14):2993-2998 谢敬辉，赵达尊，阎吉祥著，物理光学教程，北京理工大学出版社，2005年1月第1版，第344页。 姚启钧 光学教程 高等教育出版社 2002，7 第386388页杨之昌，王潜智，邱榴贞著，物理光学实验（上册），上海科学技术出版社，1986年5月第1版，第238页。谢 谢!一种测量散射光偏振度的新方法梁美怡 丁友根 尹凤婷 张俊莲 刘斌 彭力(物理与电信工程学院 华南师范大学 广东省广州 510000)摘 要：利用二氧化硅微粒样品作散射粒子场，寻求测量散射光偏振度的新方法。实验结果表明，用线偏振光分两次测量的偏振叠加法，比传统用自然光入射，偏振片作检偏器测量偏振度的方法更优越，不但节省了测量成本，而且提高了测量的范围。关键词：散 射 偏振度 偏振光中图分类号：O 436. 3- 34The New Method of Measuring the Polarization of Dispersive LightLiang Meiyi Ding Yougen Yin Fengting Zhang Junlian Liu Bin Peng Li(School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University, GuangZhou 510000, China)Abstract The swatch of ferric hydroxide to form a dispersive field to measure polarization of dispersive light is the new method in our experiment。 The result of the experiment shown that the line polarized light we measure in the ameliorated method is better than the way of using non-polarized light incidenced。 The new method not only reduces the cost but also enhances the range of the measure。Keywords dispersion, polarization, the degree of polarization1. 引 言群体粒子对激光散射的偏振特性研究在现代科学和工程应用中日趋重要 13。光的偏振性质和传播中介质的各向异性特性，使光的测量增加了一个可被控制的自由度，即偏振状态。利用入射光的偏振状态、光路中的各向异性过程及输出光参量之间的关系可以推算光学玻璃的不均匀性或机械结构模型受力时的应力分布等。光学工程中，广泛地应用光偏振性质计算输出光的各种参数，是各种具体应用的基础。因此，寻找测量光偏振性的简便有效的方法具有实际意义4。2理论分析在测量群粒子的散射光偏振度的实验中，通常使用检偏器或半影式检偏器来测定其偏振度4，即使待测光经过偏振片作为检偏器，然后把偏振片转动360，测量在此过程中透射光出现最大和最小光强的光强值IY和IZ。 在测量散射光时，用自然光沿x轴正向入射，IX和IY为散射光沿着x轴和y轴振动的强度，出射光沿x轴传播，我们沿z轴观察，如图1所示。此时观察到的部分偏振光的偏振度由下式表示5：图 1 散射光偏振度 （1） 这个传统的测量方法有两个的缺点，一是实际测量的待测光经过偏振片时，其光强会减弱，对测量弱光时的影响很大，而且增加了成本；二是无论用肉眼或者仪器去判断最大和最小的两个光强，都难免会出现误差，影响结果。 有鉴于此，基于本实验的测量原理，即在测量散射光的偏振性时，自然光的矢量在oyz平面内沿着一切可能的方向振动，可平均地分解成y和z两个相等的分量6 。 入射偏振方向为y方向的线偏振光时，在oxy平面出射的是y方向的线偏振光；入射偏振方向为x方向的线偏振光时，在oxy平面出射的是x方向的线偏振光。因此，在实验时可把水平和垂直两方向上的y和z两相等的分量替代常在光学实验中使用的自然光，我们可以先用一束y方向上偏振的线偏振光进行入射，测量出其散射之后出来的线偏振光的光强值IY，再用一束x方向上的线偏振光进行入射，测量出其散射之后出来的线偏振光的光强值IX，从而代入公式（1）求出该位置的偏振度。由偏振度P的得出，可以验证散射光的偏振性。 实验证明了用偏振叠加法准确测定光的范围能增加了约三倍。 1 激光束 2 样品池（二氧化硅微粒） 3 转盘 4 接收窗 5 连接光功率计图2 实验装置3.实验装置 用同一瓶样品，同一个功率计测量光强分别用偏振叠加法和检偏器测量其偏振度，以作对比。 3.1 偏振叠加法实验装置以及坐标系的选取如图2所示3。实验用装有布儒斯特窗的氦-氖激光器作为光源。它发出激光束是线偏振光（偏振度99。9%，波长为0。6328m），因此不再需要起偏器7。线偏振光沿z反方向入射到样品池，接收窗在oxz平面内绕y轴转动。偏振光偏振方向为y方向，本实验由与x轴正向开始测，每隔1取一个探测点，一直到测不出明显的光强为止。第二次，转动线偏振光，使其偏振方向为z方向，再重复上述步骤测出IX和IY。3.2 用检偏器 装置图与图2相类似不同的是，入射光为圆偏振光，并在接收窗前加偏振片作检偏器。测量时，把偏振片转动360，测量在此过程中透射光出现最大和最小光强的光强值IX和IY。再由（1）式算出偏振度。4实验结果与分析表1是入射偏振方向分别为y和z方向的偏振光，接收器绕z轴取四个点测其偏振度的结果。由表1可见，两次测得的散射光都是线偏振光，且入射偏振方向为y方向时，散射光也是y方向的线偏振光；入射偏振方向为z方向时，散射光都是水平方向的线偏振光。与本实验的测量原理吻合。图2中一条曲线是使用偏振叠加法测量的IX和IY ，并由公式（1）计算出的偏振度；另一条曲线是使用检偏器测量的结果。两次都是使用同一瓶样品，用同一个功率计测量光强。从其曲线可以观察出，两种方法所得偏振度的变化趋势基本相同，在015间有两个峰值，而最大峰值位于1213之间。在方法2的曲线中，由于它的波动幅度较小，不太容易正确和细致地研究偏振度（即角度与偏振度的关系）的变化。而方法1无论在测量范围还是在幅度方面都比方法2大，使得最后构成的图线波动明显，关系清晰，便于研究角度与偏振度的变化关系。可见改进后的方法比用检偏器的方法更优越。表1入射偏振方向分别为y和z时，散射光的偏振度垂直，y方向偏振:光强最大值检偏器角度光强最小值检偏器角度偏振度04500173082156. 4351. 502611100. 61760831200. 0635002621平行，x方向偏振:光强最大值检偏器角度光强最小值检偏器角度偏振度0840255. 50174154. 28401741100. 458003531200. 042265. 5017515结 论本文利用散射光偏振度的物理原理，改进了一