孔志蕾，刘 林
(1.河北南宫中学，河北 邢台055750；
2.锐光凯奇(镇江)光电科技有限公司，江苏 镇江 212000)
“光的偏振”是《普通高中物理课程标准》(2017年版)选择性必修课程选择性必修1中“光及其应用”的内容，教学要求为：观察光的偏振现象，了解这些现象产生的条件，知道其在生产生活中的应用；
知道光是横波[1]. 教学中设计的演示实验“观察光的偏振现象”是先让自然光通过1个偏振片,转动偏振片，让学生观察透射光强度是否发生变化；
然后当自然光通过2个偏振片时，旋转其中任意1个偏振片，让学生观察透射光的强度是否会出现周期性变化. 实验过程中，学生只能通过透射光强度的变化来判断偏振光的偏振方向与透振方向的关系，无法直接观察到偏振光的偏振方向. 基于以上问题，本文通过自制的径向偏振片显示偏振光的偏振方向，帮助学生更好地理解光是横波.
1.1 线偏振光
光波是电磁波，当光与物质发生相互作用时，起主要作用的是光波中的电矢量. 如果光在传播过程中电矢量的振动只限于某一特定平面内，这种光称为线偏振光. 普通光源发出的光一般是自然光，自然光在轴对称的各个方向上电矢量的时间平均值均相等[2].
一般情况下，自然光经具有二向色性(对不同振动方向的偏振光具有不同的吸收系数)的物体透射后的光即为线偏振光，其中碘链常被用于获取线偏振光. 当光入射碘链时，由于碘中的传导电子能够沿着长链运动，因此入射光波中平行于长链方向的电场分量将会对电子做功而被强烈吸收；
而垂直于长链方向的电场分量因不对电子做功而透过，这样得到的透射光即为线偏振光，其光矢量垂直于碘链的长链方向[2].
如图1所示，用于将自然光转变为线偏振光的偏振片P1为起偏器；
用于检验线偏振光的偏振片P2为检偏器. 假设P1与P2透振方向的夹角为θ，自然光透过起偏器后的光强为I0，由马吕斯定律可知，透过检偏器的光强为
I=I0cos2θ.
(1)
当两偏振片的透振方向平行，即θ=0°时，I=I0，透射光最强，如图1(a)所示；
当透振方向垂直，即θ=90°时，I=0，此时检偏器处于消光位置，如图1(b)所示.
(a)θ=0°
1.2 径向偏振光
随着激光技术的发展，研究人员发现存在一种轴对称光束，其光矢量方向相对于光传播方向呈中心对称分布，在垂直于光传播方向的光束横截面内，其光矢量方向与矢径的夹角保持不变. 径向偏振光是典型的轴对称偏振光束，其光矢量始终与径向平行.
如图2所示，选取入射到径向偏振片的3条特殊光线1，2，3来进行分析. 根据式(1)，光线1与偏振透光方向平行，光强最大；
光线3与偏振透光方向垂直，光强最小；
光线2介于光线1和光线3之间，其光强也介于最大与最小之间. 因此，通过径向偏振片可以同时呈现检偏器在不同角度的透射情况.
图2 线偏振光经过径向偏振片后的光强分布
实验器材：线偏振片(20 cm×20 cm)1张、圆形透明亚克力板(直径为20 cm)2块、剪刀1把、量角器1个、A4纸1张、透明胶若干.
径向偏振片的具体制作步骤为：
1)裁剪线偏振片. 将线偏振片从中间剪开，然后按照图3所示的虚线剪出36片顶角为10°的三角形偏振片(可近似看作扇形偏振片)，透振方向与其角平分线平行.
图3 线偏振片分割示意图
2)固定偏振片. 画半径为10 cm的圆，每间隔10°画1条直径，共18条直径，如图4所示.
图4 有18条径向线的圆
3)将亚克力板平放在印有径向线的纸上，使亚克力板的边缘与纸上圆的边界重合；
然后将裁好的扇形偏振片按照径向线逐片贴在亚克力板上；
最后在贴好偏振片的亚克力板上覆盖另1块亚克力板，并将边缘密封.
4)在密封后的亚克力板外侧贴上印有刻度的圆环，使圆环的刻度线沿着扇形偏振片的角平分线，制作完成径向偏振片，如图5所示.
图5 径向偏振片实物图
3.1 演示光的偏振方向
灯光通过起偏器后转变为线偏振光，在起偏器的后面放置径向偏振片. 以8片线偏振片组成的径向偏振片为例(见图6)：a，e偏振片的透振方向与光的偏振方向平行，透过这2片偏振片的光强最强；
c，g偏振片的透振方向与光的偏振方向垂直，这2片偏振片区域为消光区域. 因此，实验过程中可以通过观测不同扇形区域的光强来判断光的偏振方向，即偏振方向与消光区域垂直，总是沿着光强最强的区域.
图6 径向偏振片演示光的偏振方向示意图
图7为利用自制的径向偏振片观察到偏振光的结果，旋转起偏器，可以观察到透过起偏器的光的偏振方向会随之改变.
图7 演示光偏振方向的实验结果
3.2 生活中的偏振现象
将径向偏振片分别放在2块不同的液晶屏幕前，观察液晶屏幕发出的光，结果如图8所示. 可以看出：2块液晶屏幕发出的光偏振方向不同，约相差45°.
图8 不同液晶屏幕前的偏振现象
用径向偏振片观察晴朗蔚蓝天空(见图9)，改变偏振片与太阳光传播方向的夹角，可以观察到不同扇形区域透射出的光的强度不同，说明蔚蓝天空所散射的太阳光是部分偏振光. 该实验现象得出的结论与理论一致[3]，证明了径向偏振片的可靠性.
图9 利用径向偏振片观察蔚蓝天空
3.3 检测偏光太阳镜的透振方向
高山上的积雪会反射阳光，带上有偏光功能的太阳镜能有效过滤这些光线. 为了解偏光太阳镜的透振方向，将径向偏振片放置在普通光源前，透过偏光太阳镜观察径向偏振片，再根据式(1)即可得到偏光太阳镜的透振方向沿垂直方向，如图10所示.
图10 太阳镜的偏振现象
3.4 探究蔗糖水溶液的旋光现象
线偏振光通过物质后，其电矢量振动方向沿传播方向发生旋转的现象叫作旋光现象. 由于蔗糖属于右旋物质，因此可通过蔗糖水溶液探究旋光现象. 具体操作步骤为：
1)配置质量分数w=25%,50%的蔗糖水，并分别倒入2个完全相同的玻璃瓶(10 cm×10 cm×20 cm)内.
2)将盛有蔗糖水的玻璃瓶放在起偏器与径向偏振片之间，并置于径向偏振片的右侧(与左侧进行对比实验).
3)在白光光源前加红色滤光片，观察消光区域，如图11所示.
对比图11 (a)～(b)中的消光区域可知：在光程和光源一定的情况下，蔗糖水溶液的质量分数越大，振动面的旋转角度越大.
(a) w=25% (b) w=50%
如果用白光光源进行实验，径向偏振片右侧扇形区域将出现彩色，如图12所示. 这是由于在相同实验条件下，波长越短，旋转角度越大；
波长越长，旋转角度越小[2]. 这种旋光度随波长变化的现象称作旋光色散.
图12 旋光色散现象
自制的径向偏振片可以同时呈现检偏器在各个角度的透射情况，根据各区域透射光的亮暗程度可以直接观测到光的偏振方向，便于学生更加立体、直观地进行空间整体感知，建立光的波动模型，引导学生认识光是横波.
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