自制教具演示光的偏振方向

孔志蕾，劉 林

(1.河北南宮中學，河北 邢臺055750；2.銳光凱奇(鎮江)光電科技有限公司，江蘇 鎮江 212000)

“光的偏振”是《普通高中物理課程標準》(2017年版)選擇性必修課程選擇性必修1中“光及其應用”的內容，教學要求為：觀察光的偏振現象，了解這些現象產生的條件，知道其在生產生活中的應用；知道光是橫波[1]. 教學中設計的演示實驗“觀察光的偏振現象”是先讓自然光通過1個偏振片,轉動偏振片，讓學生觀察透射光強度是否發生變化；然后當自然光通過2個偏振片時，旋轉其中任意1個偏振片，讓學生觀察透射光的強度是否會出現周期性變化. 實驗過程中，學生只能通過透射光強度的變化來判斷偏振光的偏振方向與透振方向的關系，無法直接觀察到偏振光的偏振方向. 基于以上問題，本文通過自制的徑向偏振片顯示偏振光的偏振方向，幫助學生更好地理解光是橫波.

1 偏振光

1.1 線偏振光

光波是電磁波，當光與物質發生相互作用時，起主要作用的是光波中的電矢量. 如果光在傳播過程中電矢量的振動只限于某一特定平面內，這種光稱為線偏振光. 普通光源發出的光一般是自然光，自然光在軸對稱的各個方向上電矢量的時間平均值均相等[2].

一般情況下，自然光經具有二向色性(對不同振動方向的偏振光具有不同的吸收系數)的物體透射后的光即為線偏振光，其中碘鏈常被用于獲取線偏振光. 當光入射碘鏈時，由于碘中的傳導電子能夠沿著長鏈運動，因此入射光波中平行于長鏈方向的電場分量將會對電子做功而被強烈吸收；而垂直于長鏈方向的電場分量因不對電子做功而透過，這樣得到的透射光即為線偏振光，其光矢量垂直于碘鏈的長鏈方向[2].

如圖1所示，用于將自然光轉變為線偏振光的偏振片P1為起偏器；用于檢驗線偏振光的偏振片P2為檢偏器. 假設P1與P2透振方向的夾角為θ，自然光透過起偏器后的光強為I0，由馬呂斯定律可知，透過檢偏器的光強為

I=I0cos2θ.

(1)

當兩偏振片的透振方向平行，即θ=0°時，I=I0，透射光最強，如圖1(a)所示；當透振方向垂直，即θ=90°時，I=0，此時檢偏器處于消光位置，如圖1(b)所示.

(a)θ=0°

1.2 徑向偏振光

隨著激光技術的發展，研究人員發現存在一種軸對稱光束，其光矢量方向相對于光傳播方向呈中心對稱分布，在垂直于光傳播方向的光束橫截面內，其光矢量方向與矢徑的夾角保持不變. 徑向偏振光是典型的軸對稱偏振光束，其光矢量始終與徑向平行.

如圖2所示，選取入射到徑向偏振片的3條特殊光線1，2，3來進行分析. 根據式(1)，光線1與偏振透光方向平行，光強最大；光線3與偏振透光方向垂直，光強最小；光線2介于光線1和光線3之間，其光強也介于最大與最小之間. 因此，通過徑向偏振片可以同時呈現檢偏器在不同角度的透射情況.

圖2 線偏振光經過徑向偏振片后的光強分布

2 徑向偏振片的制作

實驗器材：線偏振片(20 cm×20 cm)1張、圓形透明亞克力板(直徑為20 cm)2塊、剪刀1把、量角器1個、A4紙1張、透明膠若干.

徑向偏振片的具體制作步驟為：

1)裁剪線偏振片. 將線偏振片從中間剪開，然后按照圖3所示的虛線剪出36片頂角為10°的三角形偏振片(可近似看作扇形偏振片)，透振方向與其角平分線平行.

圖3 線偏振片分割示意圖

2)固定偏振片. 畫半徑為10 cm的圓，每間隔10°畫1條直徑，共18條直徑，如圖4所示.

圖4 有18條徑向線的圓

3)將亞克力板平放在印有徑向線的紙上，使亞克力板的邊緣與紙上圓的邊界重合；然后將裁好的扇形偏振片按照徑向線逐片貼在亞克力板上；最后在貼好偏振片的亞克力板上覆蓋另1塊亞克力板，并將邊緣密封.

4)在密封后的亞克力板外側貼上印有刻度的圓環，使圓環的刻度線沿著扇形偏振片的角平分線，制作完成徑向偏振片，如圖5所示.

圖5 徑向偏振片實物圖

3 徑向偏振片的應用

3.1 演示光的偏振方向

燈光通過起偏器后轉變為線偏振光，在起偏器的后面放置徑向偏振片. 以8片線偏振片組成的徑向偏振片為例(見圖6)：a，e偏振片的透振方向與光的偏振方向平行，透過這2片偏振片的光強最強； c，g偏振片的透振方向與光的偏振方向垂直，這2片偏振片區域為消光區域. 因此，實驗過程中可以通過觀測不同扇形區域的光強來判斷光的偏振方向，即偏振方向與消光區域垂直，總是沿著光強最強的區域.

圖6 徑向偏振片演示光的偏振方向示意圖

圖7為利用自制的徑向偏振片觀察到偏振光的結果，旋轉起偏器，可以觀察到透過起偏器的光的偏振方向會隨之改變.

圖7 演示光偏振方向的實驗結果

3.2 生活中的偏振現象

將徑向偏振片分別放在2塊不同的液晶屏幕前，觀察液晶屏幕發出的光，結果如圖8所示. 可以看出：2塊液晶屏幕發出的光偏振方向不同，約相差45°.

圖8 不同液晶屏幕前的偏振現象

用徑向偏振片觀察晴朗蔚藍天空(見圖9)，改變偏振片與太陽光傳播方向的夾角，可以觀察到不同扇形區域透射出的光的強度不同，說明蔚藍天空所散射的太陽光是部分偏振光. 該實驗現象得出的結論與理論一致[3]，證明了徑向偏振片的可靠性.

圖9 利用徑向偏振片觀察蔚藍天空

3.3 檢測偏光太陽鏡的透振方向

高山上的積雪會反射陽光，帶上有偏光功能的太陽鏡能有效過濾這些光線. 為了解偏光太陽鏡的透振方向，將徑向偏振片放置在普通光源前，透過偏光太陽鏡觀察徑向偏振片，再根據式(1)即可得到偏光太陽鏡的透振方向沿垂直方向，如圖10所示.

圖10 太陽鏡的偏振現象

3.4 探究蔗糖水溶液的旋光現象

線偏振光通過物質后，其電矢量振動方向沿傳播方向發生旋轉的現象叫作旋光現象. 由于蔗糖屬于右旋物質，因此可通過蔗糖水溶液探究旋光現象. 具體操作步驟為：

1)配置質量分數w=25%,50%的蔗糖水，并分別倒入2個完全相同的玻璃瓶(10 cm×10 cm×20 cm)內.

2)將盛有蔗糖水的玻璃瓶放在起偏器與徑向偏振片之間，并置于徑向偏振片的右側(與左側進行對比實驗).

3)在白光光源前加紅色濾光片，觀察消光區域，如圖11所示.

對比圖11 (a)～(b)中的消光區域可知：在光程和光源一定的情況下，蔗糖水溶液的質量分數越大，振動面的旋轉角度越大.

(a) w=25% (b) w=50%

如果用白光光源進行實驗，徑向偏振片右側扇形區域將出現彩色，如圖12所示. 這是由于在相同實驗條件下，波長越短，旋轉角度越大；波長越長，旋轉角度越小[2]. 這種旋光度隨波長變化的現象稱作旋光色散.

圖12 旋光色散現象

4 結束語

自制的徑向偏振片可以同時呈現檢偏器在各個角度的透射情況，根據各區域透射光的亮暗程度可以直接觀測到光的偏振方向，便于學生更加立體、直觀地進行空間整體感知，建立光的波動模型，引導學生認識光是橫波.