光學(xué)偏振實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)手冊一、實(shí)驗(yàn)名稱光學(xué)偏振現(xiàn)象的觀察與驗(yàn)證二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對光的橫波性的理解。2.掌握產(chǎn)生和檢驗(yàn)線偏振光的方法。3.驗(yàn)證馬呂斯定律，并學(xué)習(xí)利用光強(qiáng)傳感器進(jìn)行定量測量。4.觀察反射光和折射光的偏振現(xiàn)象，測定特定介質(zhì)的布儒斯特角。5.（可選）觀察雙折射現(xiàn)象，了解尋常光和非常光的特性。三、實(shí)驗(yàn)原理光是一種電磁波，其電場強(qiáng)度矢量和磁場強(qiáng)度矢量均與傳播方向垂直，因此光是橫波。光的偏振性是橫波的重要特征。在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，電場強(qiáng)度矢量（光矢量）的振動(dòng)方向保持不變或按一定規(guī)律變化的光，稱為偏振光。1.線偏振光與馬呂斯定律線偏振光的光矢量方向始終在某一固定方向上。當(dāng)一束光強(qiáng)為I?的線偏振光垂直入射到另一偏振片（檢偏器）上時(shí)，若檢偏器的偏振化方向與入射偏振光的光矢量方向夾角為θ，則透過檢偏器的光強(qiáng)I滿足：I=I?cos2θ這就是馬呂斯定律。當(dāng)θ=0°或180°時(shí)，I=I?，光強(qiáng)最大；當(dāng)θ=90°或270°時(shí)，I=0，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。2.偏振片的起偏與檢偏普通光源發(fā)出的光是自然光，其光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)沿各個(gè)方向振動(dòng)的概率均等。偏振片是一種利用二向色性吸收非偏振方向光振動(dòng)的光學(xué)元件，它能將自然光變?yōu)榫€偏振光，此時(shí)偏振片稱為起偏器。偏振片也可用于檢驗(yàn)一束光是否為線偏振光，此時(shí)稱為檢偏器。3.布儒斯特角當(dāng)自然光在兩種各向同性介質(zhì)的分界面發(fā)生反射和折射時(shí)，反射光和折射光一般都是部分偏振光。當(dāng)入射角滿足特定條件，即反射光線與折射光線垂直時(shí)，反射光成為完全線偏振光，其光矢量垂直于入射面。此時(shí)的入射角稱為布儒斯特角，用i?表示。由折射定律可推得：tani?=n?/n?其中n?和n?分別為入射介質(zhì)和折射介質(zhì)的折射率。由此可通過測量布儒斯特角來確定介質(zhì)的折射率。4.雙折射現(xiàn)象（可選）當(dāng)光入射到各向異性晶體（如方解石）時(shí)，會產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱為雙折射。其中一束折射光遵循折射定律，稱為尋常光（o光）；另一束不遵循折射定律，稱為非常光（e光）。o光和e光都是線偏振光，且它們的光矢量振動(dòng)方向相互垂直。四、實(shí)驗(yàn)儀器與材料1.光具座（或光學(xué)平臺）2.半導(dǎo)體激光器（或鈉光燈、氦氖激光器，配適當(dāng)?shù)臄U(kuò)束和準(zhǔn)直系統(tǒng)）3.起偏器（偏振片，帶刻度盤）4.檢偏器（偏振片，帶刻度盤）5.光強(qiáng)傳感器（或光電二極管配合數(shù)字萬用表）6.偏振片旋轉(zhuǎn)臺（帶有角度刻度，用于精確測量和旋轉(zhuǎn)偏振片）7.光學(xué)反射鏡（或可旋轉(zhuǎn)的玻璃平板）8.白屏或毛玻璃屏9.（可選）雙折射晶體（如方解石）10.（可選）1/4波片、1/2波片11.水準(zhǔn)器、螺絲刀等輔助調(diào)節(jié)工具五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.光路調(diào)節(jié)與偏振片特性初識1.將光具座放置在平穩(wěn)的實(shí)驗(yàn)臺上，利用水準(zhǔn)器調(diào)平。2.依次在光具座上安裝并調(diào)整光源、（可選的小孔光闌）、起偏器P1、檢偏器P2、光強(qiáng)傳感器（或光屏）。確保各光學(xué)元件的中心大致在同一高度，且光軸同軸（即等高共軸調(diào)節(jié)）。此步驟對后續(xù)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，需耐心細(xì)致。3.開啟光源，讓光束通過P1和P2后投射到光屏上或被光強(qiáng)傳感器接收。4.固定P1，緩慢旋轉(zhuǎn)P2（從0°到360°），同時(shí)觀察光屏上光斑亮度的變化或記錄光強(qiáng)傳感器的讀數(shù)。描述所觀察到的現(xiàn)象，并判斷此時(shí)出射光的偏振狀態(tài)。2.線偏振光的產(chǎn)生與馬呂斯定律的驗(yàn)證1.在步驟1的基礎(chǔ)上，找到當(dāng)光屏上光斑最暗（消光）時(shí)P2的位置，記錄此時(shí)P2的角度θ?。此位置表示P2的透振方向與P1的透振方向相互垂直。2.以此時(shí)P2的位置為起始點(diǎn)（即θ=0°對應(yīng)P1與P2透振方向平行），將P2旋轉(zhuǎn)90°，使P1與P2透振方向平行，此時(shí)光強(qiáng)應(yīng)為最大I?。3.保持P1固定，從0°開始，每間隔10°（或15°）旋轉(zhuǎn)P2，記錄對應(yīng)的角度θ（P1與P2透振方向的夾角）和光強(qiáng)I的數(shù)值，直至旋轉(zhuǎn)到180°。注意在接近消光位置時(shí)，角度間隔可適當(dāng)減小，以提高測量精度。4.將測量數(shù)據(jù)記錄于表格中。以θ為橫坐標(biāo)，I為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上繪制I-θ關(guān)系曲線。同時(shí)，計(jì)算出每個(gè)θ角對應(yīng)的cos2θ值，以cos2θ為橫坐標(biāo)，I為縱坐標(biāo)，繪制I-cos2θ關(guān)系曲線，并分析該曲線是否符合馬呂斯定律的預(yù)期。5.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法或作圖法求出擬合直線的斜率，與理論上的I?值進(jìn)行比較。3.反射光的偏振與布儒斯特角的測定1.移開光具座上原有的P2和光強(qiáng)傳感器，在P1后方適當(dāng)位置安裝可旋轉(zhuǎn)的玻璃平板（或光學(xué)反射鏡）。調(diào)整玻璃平板的角度，使入射光束以一定角度照射在玻璃平板的表面，并能觀察到清晰的反射光斑。2.在反射光的傳播路徑上放置檢偏器P2和光強(qiáng)傳感器（或光屏）。3.固定P1的透振方向（例如，使其透振方向在入射面內(nèi)或垂直于入射面）。改變?nèi)肷涔馐娜肷浣莍（即旋轉(zhuǎn)玻璃平板），同時(shí)旋轉(zhuǎn)P2觀察反射光斑的亮度變化。4.當(dāng)入射角i達(dá)到某一特定值時(shí)，旋轉(zhuǎn)P2會觀察到反射光幾乎完全消失（消光）的現(xiàn)象。此時(shí)的入射角i即為該玻璃介質(zhì)對該波長光的布儒斯特角i?。5.仔細(xì)調(diào)節(jié)，精確測量此時(shí)的入射角i?。測量三次取平均值。6.已知空氣折射率n?≈1.00，根據(jù)布儒斯特定律tani?=n?/n?，計(jì)算玻璃平板的折射率n?。4.（可選）雙折射現(xiàn)象的觀察1.移開光路上的P1、P2及反射鏡，將雙折射晶體（如方解石）置于光源與白屏之間。2.觀察通過晶體后白屏上的光斑數(shù)量及特點(diǎn)。3.在晶體與白屏之間插入檢偏器P2，旋轉(zhuǎn)P2，觀察兩個(gè)光斑亮度的變化，并解釋現(xiàn)象。六、數(shù)據(jù)記錄與處理1.偏振片旋轉(zhuǎn)時(shí)的光強(qiáng)變化（步驟1.4）P2旋轉(zhuǎn)角度(°)0306090120150180210240270300330360----------------------------------------------------------------------------光強(qiáng)相對值(任意單位或傳感器讀數(shù))現(xiàn)象描述2.馬呂斯定律驗(yàn)證數(shù)據(jù)記錄表（步驟2.3）序號θ(°)cosθcos2θI(相對單位或mV):---::---::---::---::--------------:10210320...............19180*數(shù)據(jù)處理要求：**計(jì)算各θ對應(yīng)的cosθ和cos2θ值。*繪制I-θ關(guān)系圖和I-cos2θ關(guān)系圖。*對I-cos2θ關(guān)系圖進(jìn)行線性擬合，求出斜率，并與理論最大光強(qiáng)I?比較，計(jì)算相對誤差（若已知I?）。3.布儒斯特角測定數(shù)據(jù)記錄表（步驟3.5）測量次數(shù)布儒斯特角i?(°):-------::--------------:123平均值*數(shù)據(jù)處理要求：**計(jì)算i?的平均值。*根據(jù)公式n?=tan(i?平均值)，計(jì)算玻璃折射率n?。查閱該種玻璃的標(biāo)準(zhǔn)折射率值，計(jì)算實(shí)驗(yàn)誤差。七、注意事項(xiàng)1.儀器愛護(hù)：所有光學(xué)元件（偏振片、反射鏡、透鏡、晶體等）的光學(xué)表面均需保持清潔，嚴(yán)禁用手觸摸。如有污漬，應(yīng)使用專用的鏡頭紙或麂皮絨輕輕擦拭，或請教指導(dǎo)教師。2.光路調(diào)節(jié)：實(shí)驗(yàn)過程中，務(wù)必仔細(xì)進(jìn)行等高共軸調(diào)節(jié)，確保光束能順利通過各個(gè)光學(xué)元件的中心。3.光源使用：激光光源功率不宜過大，避免直射眼睛，以免造成傷害。鈉光燈等熱光源使用時(shí)，注意避免燙傷，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需冷卻一段時(shí)間再搬動(dòng)。4.角度讀數(shù)：旋轉(zhuǎn)偏振片或反射鏡時(shí)，動(dòng)作應(yīng)緩慢平穩(wěn)，讀取角度時(shí)，視線應(yīng)與刻度盤垂直，以減少視差。5.數(shù)據(jù)記錄：記錄數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)及時(shí)、準(zhǔn)確、完整，并注明單位。對于光強(qiáng)等物理量，若無法精確測量絕對值，可記錄相對值，但需保持測量條件的一致性。6.實(shí)驗(yàn)環(huán)境：盡量在暗環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以減少雜散光的干擾，提高觀察效果。7.安全用電：注意用電安全，實(shí)驗(yàn)完畢后及時(shí)關(guān)閉各儀器電源。八、思考題1.為何自然光通過兩個(gè)偏振片（P1、P2），當(dāng)旋轉(zhuǎn)P2時(shí)會出現(xiàn)光強(qiáng)的周期性變化？若只通過一個(gè)偏振片，旋轉(zhuǎn)該偏振片時(shí)，光屏上的光強(qiáng)是否變化？為什么？2.在驗(yàn)證馬呂斯定律時(shí)，如果入射到P2上的不是理想的線偏振光，而是部分偏振光或橢圓偏振光，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會有何不同？3.當(dāng)以布儒斯特角入射時(shí)，反射光的偏振狀態(tài)如何？折射光的偏振狀態(tài)又如何？此時(shí)反射光與折射光的夾角是多少？4.日常生活中有哪些光的偏振現(xiàn)象的應(yīng)用？請舉例說明。5.（針對雙折射實(shí)驗(yàn)）通過雙折射晶體觀察物體時(shí)，為何會看到兩個(gè)像？如何用檢偏器區(qū)分尋常光和非常光？九、附錄（可選）1.所用光源的光譜特性說明。2.光強(qiáng)傳感器的校準(zhǔn)方法