偏振光干涉

偏振光干涉

Interference of Polarized Light

光波是电磁波。电磁波是横波，因为电磁波中的电矢量与波的传播方向垂直。光的偏振现象表明了光的横波特性。早在1811年英国物理学家阿喇果就发现了偏振光的干涉现象，他用方解石观察蓝色天空时，把一云母片置入方解石之前，于是他发现两束折射光常呈现颜色。这种颜色的成因是偏振光的干涉。

实验装置

偏振光干涉实验仪，透明U形尺1把。

图1　偏振光干涉实验仪

现象观察

白光光源发出的光透过第一个偏振片P（如图2所示）后变成线偏振光。线偏振光通过薄膜叠制而成的图案或光弹材料制成的三角板或曲线板等C后，产生应力双折射，分成有一定相差且振动方向互相垂直的两束光。这两束光通过最右边的偏振片A后成为相干光，将在相干区发生偏振光干涉现象。

图2　偏振光干涉示意图

1.若两偏振片之间没有其他物体，旋转偏振片A，使两偏振片正交，此时在相干区为消光；

2.将用不同层数的薄膜叠制而成的图案试样插入两偏振片之间，观察到视场中各种图案偏振光干涉的彩色条纹，旋转前面的偏振片，观察干涉条纹的色彩也随之变化；

3.把透明U形尺插入两偏振片之间，观察不到异常，用力握U型尺的开口处，立即看到在尺上出现彩色条纹，且疏密不等；改变握力，条纹的色彩和疏密分布也发生变化，图案如图3所示。

图3　透明U形尺干涉图

现象解密

用不同层数的薄膜叠制而成的图案，由于应力均匀，双折射产生的光程差由厚度决定，各种波长的光干涉后的强度均随厚度而变，故干涉后呈现与层数分布对应的色彩图案。对于三角板和曲线板等，由于厚度均匀，双折射产生的光程差主要与内部的残余应力分布有关，各波长的光干涉后的强度随应力分布而变，则干涉后呈现与应力分布对应的不规则彩色条纹。条纹密集的地方是残余应力比较集中的地方，图3中U形尺的干涉条纹类似于三角板和曲线板干涉图案，区别在于这里的应力不是内部的残余应力，而是外部产生的实时动态应力，所以条纹的色彩和疏密是随外力的大小而变化的。利用偏振光的干涉，可以考察透明元件是否受到应力以及应力的分布情况。转动外层偏振片，即改变两偏振片的偏振化方向夹角，也会影响各种波长的光干涉后的强度，使图案颜色发生变化。

应用拓展

利用偏振光的干涉现象制成的光测弹性仪就是利用条纹的变化来检查应力分布的仪器，它在实际中有很广泛的应用。例如为了设计一处机械工件、桥梁或水坝，可用透明塑料模拟它们的形状，并根据实际工作状况按比例地模拟加上应力，然后用光测弹性仪显示出其中的应力分布。当然，该方法可方便地用来观察眼镜镜片的受力情况及质量的优劣。

在我们普通人的眼里，玻璃和透明的宝石似乎没有多少差异，但在专家的眼里，这两者确有很大的不同，玻璃各向同性，而透明的宝石则大多是各向异性，因此，普遍存在双折射现象。当把这类宝石放在这台光学仪器的起偏镜和检偏镜之间时，即会看到奇异的色彩，这就是偏振光干涉色，也被称为色偏振。更为有趣的是当我们旋转其中的一个偏振镜时，看到的色彩还会交替变化，而这种现象用各向同性的玻璃根本不会出现。

思考题

1.自然光经过偏光片后，光线强度是否要减弱？为什么？

2.自然光投射到两块偏振片P和A上，这两块偏振片的振动方向取向使得自然光不能透过。若在两者间插进各向异性的晶片C，如图4所示，是否仍然没有光透过最后面的偏振片？试按三种不同的方法解释之。

图4　偏振片P和A的振动方向垂直，插入各向异性晶片C