n        实验背景介绍

光的偏振是指光的振动方向不变，或电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象.光的偏振最早是牛顿在1704～1706年间引入光学的；光的偏振这一术语是马吕斯在1809年首先提出的，并在实验室发现了光的偏振现象;麦克斯韦在1865~1873年间建立了光的电磁理论,从本质上说明了光的偏振现象 .按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直.自然光是各方向的振幅相同的光，对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等.线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动.起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件.

 

n        实验原理

我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究，人们发现反射光中的垂直于入射面的光振动多于平行于入射面的光振动；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值时，反射光成为完全线偏振光，折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，该现象最早在1815年为布儒斯特所发现，我们称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线偏振光的方法之一；不过反射光由于强度较小，通常不被利用；透射光的光强较大，但又不是完全线偏振光，实际采用的是利用玻璃堆的方法就成功的解决了该问题，多次的透射基本上可以滤掉竖直分量，最后只剩下了平行分量。

由于i₀ + r = π / 2 ，n₁ sin i₀ = n₂ sin r， 则

若n₁为空气，则tg i₀ = n₂，这样，当介质折射率一定时，i₀就唯一地被确定。

常见的起偏或检偏的元件构成有两种：

1.光学棱镜。如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的；

2.偏振片。它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光.

马吕斯定律：马吕斯在1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为I₁ = I₀ cos²α，其中的a是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：

本次实验中我们用两块格兰棱镜充当起偏器和检偏器，通过硅光电池的响应电流检测偏光强度的方法来验证马吕斯定律。

波晶片：又称位相延迟片，是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波晶片内的速度v_o ,v_e 不同，所以造成o光和e光通过波晶片的光程也不同.当两光束通过波晶片后o光的位相相对于e光多延迟了Δ=2π(n₀-n₁)d/λ，若满足(n_e-n_o)d=±λ/4，即Δ=±π/2我们称之为λ/4片，若满足(n_e-n_o)d=±λ/2，即Δ=±π，我们称之为λ/2片，若满足(n_e-n_o)d=±λ，即Δ=2π我们称之为全波片。

 

n        实验内容：

1. 起偏，将激光投射到屏上，在激光束中插入一偏振片，使偏振片在垂直于光束的平面内转动，观察透过光强的变化，并据此判断激光束的偏振情况；

2. 消光，在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片，将第一块固定，转动第二块偏振片，观察现象，能否找到一个消光位置，此时两偏振片的位置关系怎样.

4. 利用布儒斯特定律测定待测玻璃的折射率；

5. 验证马吕斯定律，绘制硅光电池的响应曲线.

6. 测定样品对P-分量反射光的反射率随入射角变化的曲线.

7. 椭圆偏振光的实验中，在起偏器与检偏器中间置入λ/4，λ/2波片，转动检偏器，从光电探头的电流变化中绘制出光强与角度的关系。

 

n        实验重点、难点：

1. 理解偏振光的物理本质，学会几种偏振光的鉴别。

2. 光路的准直调整和光电探头的电流溢出问题。

 

n        简答题：

1. 在布儒斯特角入射时，透射光为完全线偏振光？

A.是    B.不是

2. 激光器发出的激光全是线偏振光？

A.是    B.不是

 

n        思考题

1. 格兰棱镜成为起偏器的物理机制是什么？

2. 在两块偏振片处于消光位置，再在它们之间插入第三块偏振片，且第三块偏振片的透光方向与第一块透光方向成45°、30°，哪一次光强大一些？原因是什么？

 

参考书目：

1.《大学物理实验》第二册，谢行恕 康世秀 霍剑青主编，高等教育出版社

2.《中国大百科全书》I,II 中国大百科全书出版社

3.《光学教程》姚启钧 高等教育出版社

4.《光学》赵凯华，北京大学出版社