显色偏振仪及其演示研究

摘  要：文章根据显色偏振原理，设计制作了应用常见的透明胶带作为晶体介质的显色偏振仪，并应用显色偏振仪对同一厚度不同晶体、不同厚度同一晶体、同厚度同材质不同夹角、不同光源的情况下的显色偏振现象进行展示研究。引导现阶段的学生自主探索、了解显色偏振的相关知识，提升实验探究能力及素养。

关键词：显色偏振;光偏振;晶体

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）2-0053-3

显色偏振是基于光偏振原理而加以改进的一种光现象。如果光源使用包含各种色光的白光，对于一定的晶片，各种不同波长的光不可能同时满足相同的干涉亮条纹，而是有些波长的光满足干涉亮条纹条件，有些波长的光满足干涉暗条纹条件，结果在偏振光的干涉中呈现一定的颜色，即显色偏振[1]。

目前，有关显色偏振的实验仪器操作复杂、图像不够明显、调适复杂、对实验者的操作要求较高，有许多弊端。高中阶段的偏振现象也多为单色偏振，实验器材昂贵，学生参与度低且对显色偏振现象了解不多。因此，本文致力于把看上去高大上的显色偏振现象用普通常见的实验材料演示出来，并进行一定的展示探究，帮助学生填补知识空缺，激发学生的学习兴趣，培养学生的动手能力。

1    显色偏振仪

在显色偏振有关知识的基础上，结合了生活中透明胶带各向异性的特点，把透明胶带作为简易晶体使用，在偏振片（用电脑液晶屏头层制作）表面不规则地缠上胶带，通过LED面光源的大型展示平台制作了本作品，使之操作简单、方便，图像清晰直观、色彩丰富。

本教学演示仪适用于教学中显色偏振现象的展示，且所用材料成本低，展示的显色偏振现象明显，摇动手柄的灵活性可以方便地改变偏振角，增强了本研究的可操作性。有利于课堂中对产生干涉的两束光的振幅和相位与各个转动角度、各层不同厚度的胶带纸的关系的说明和讲解。LED面光源使光在偏振片上的分布更加均匀、稳定，排除了同一面上光强不同的干扰，使演示效果更好。同时，演示的偏振片和可以自主设计的透明胶带的组合，可以自定义展示的图像，增加了教学的乐趣，提高了学生的积极性。（图1）

2    运用显色偏振仪观察显色偏振现象

2.1    研究同一厚度不同材质晶体下的显色偏振

现实生活中各种透明塑料（如聚丙烯、聚苯乙烯、有机玻璃、ABS塑料等）都可以用作廉价的晶片。本实验主要选取了透明胶带、聚丙烯、聚苯乙烯等来代替晶体，当所用不同材质的晶体的厚度相同，且入射光都为白光时，保持前后偏振片偏振角相同，观察到透射光的颜色不同。这是因为不同材质的晶体光轴方向不同，造成光和光的光程差也不同，所以透射光的强度也不同（见表1）。

2.2    研究不同层数同一晶体（用透明胶带代替）下的显色偏振

本实验通过不改变偏振角，保持入射光为白光，不断增加透明胶带的层数，观察偏振片上显示的颜色变化来研究不同层数同一晶体（用透明胶带代替）下的显色偏振。当透明胶带的厚度增加到5层时，观察到的透射光就非常接近白光;再增加透明胶带的层数，颜色就更淡了。这时改变偏振角，可观察到不同层数的透明胶带造成的透射光颜色不同（见表2）。这一现象产生的原因可能是发生k级干涉的某波长可与（k-1）级较长的另一波长在同一晶片厚度下得到加强，两种色光混合，使得色纯度变差，接近于白光。当透明胶带厚度小于或者等于3层时，改变偏振角，透射光的颜色变化是非常明显的。

由实验现象可知，单单看透射光的强弱无法判断干涉加强还是减弱，因为本组所用的是白光，白光包括了不同波长的光，当一种光干涉相消时，另一种光干涉相长。但是，观察到一种颜色的出现与消失，也可以知道对于不同波长的光，在偏振角、晶体的光轴、晶体的厚度等发生改变时，该颜色光的强弱是会改变的。这与公式δ= （n0-ne）d符合得很好[2]。

2.3    研究同一晶体（用透明胶带代替）不同光轴夹角下的显色偏振

本实验通过不改变偏振角，改变透明胶带的粘贴方向，观察偏振片上显示的颜色变化，来研究同一晶体（用透明胶带代替）不同光轴夹角下的显色偏振（见表3）。当透明胶带的粘贴方向改变180°时，偏振片上的颜色发生了改变，期间有颜色突变，有2次，每90°突变一次，而且不同颜色光突变速度是不同的，这和光的波长有关。其实，偏振片上颜色的突变取决于δ，δ从0°变到180°或从180°变到0°，胶带纸上的颜色都会突变，变为前一种颜色的互补色。换句话说，变色的位置是发生在样品的光轴与两块偏振片中任意一块平行或垂直的时候。

2.4    研究复色光（白光）和单色光（钠黄光）的显色偏振

选取透明胶带代替晶体，保持晶体的厚度相同。当用白光入射时，转动手柄改变偏振角，透射光颜色变化丰富;当用钠黄光入射时，透射光颜色不发生改变，但透射光亮暗改變明显，与没有透明胶带时相比，情况相似（见表4）。这主要是因为白光包括了多种波长的光，钠黄光只包括一种波长的光，改变偏振角时，只有一种波长的光发生干涉相长或相消，而白光在不同偏振角下，不同波长的光发生干涉相长，颜色改变就多样化了。

3     显色偏振仪的特点以及欠缺

3.1    特点

（1）本教学演示仪适用于教学中显色偏振现象的展示，有利于课堂中对产生干涉的两束光的振幅和相位与各个转动角度、各层不同厚度胶带纸关系的说明和讲解。

（2）LED面光源使光在偏振片上的分布更加均匀、稳定，排除了同一面上光强不同的干扰，使演示效果更好。

（3）演示的偏振片和可以自主设计的透明胶带的组合，可以自定义展示的图像，增加了教学的趣味性，提高了学生的积极性。

（4）带摇动手柄的旋转操纵装置，方便操作。此仪器适合在中学选修及拓展教学中使用，能够引导学生对显色偏振产生兴趣，并能够自主地进行探索与研究，发现其中蕴藏的更多的科学知识。这样能够培养学生的实验探究能力，提高学生的实验素养，对教师的教学有着非常重要的作用。

3.2    缺点

（1）对现象的研究拘于表面，对各向异性的材料（如塑料）的其他特性了解不够深入，对实验现象可能产生一定干扰。

（2）选择的材料基本局限于塑料材质，因为有些材料（如宝石）价格过于昂贵，而冰块则在实验时不易操作。

（3）选取材料时的厚度没有精细地验证，使实验现象出现杂乱的彩色图案。

（4）粘贴透明胶带时会出现气泡，对实验产生干扰，气泡无法避免，但在实验过程中我们会忽略此现象对实验结果的影响。

（5）在观察相关的颜色时，对颜色的判断存在一定的主观性，因此所写的具体颜色有可能存在一定的误差。

本文通过对不同实验条件下的显色偏振的研究，探究影响显色偏振的因素，使学生能够更加深入地理解偏振光的相关知识，建立起更好的物理素养，培养学生的实验动手能力以及独立思考、勇于探究的品质。

在当今的社会中，偏振光的变色应用在科技领域内更是“大显身手”，尤其是在光信息处理中得到广泛的应用。如磁光空间调制器，获得干涉的亮暗场。相信在以后的科技领域中，显色偏振一定会被更加深入地研究，它的应用一定会更加广泛。因此，在高中阶段帮助学生在现有知识的基础上，探索、发现关于课堂延伸的一部分知识，有利于他们进一步提升自身的素质，磨练自身的品质。

编者注：因为本文的附图均为彩色照片，而本刊只能展示黑白的图片，故附图只能略去。若需要观察彩色图片，可查参考文献或者向作者询问。作者许士友的邮箱是2845646614@qq.com。

参考文献：

[1]赵凯华.新概念物理教程光学[M].北京：高等教育出版社，2004：117-361.

[2]张京，王琪，苏卫峰，等.透明胶带纸中的色偏振现象[J].物理实验，2009，29（10）：39-40.

（栏目编辑    王柏庐）