偏光万華鏡

班員紹介

原理および実験方法

主に「偏光」、「複屈折」、「干渉」の3要素によって色がつきます。



「偏光」
普通光はあらゆる方向に振動する波として表されます。これらのうち一方向だけに振動する光を偏光といい、
特定方向に偏波した光だけ通過できる偏光板に一方向だけ光を通すことで偏光を作り出しています。
偏光万華鏡の場合、一枚目の偏光板が偏光を作り出す役割を果たしています。



「複屈折」
複屈折とは複数の方向に光が分かれる現象です。
セロハンテープは高分子フィルムを長さ方向に引っ張られて製造されているため、光の屈折率が長さ方向と幅
方向で異なります。
屈折率が違うと光の進む速さも異なるため、セロハンテープを通過した光は、長さ方向に進んだものと幅方向
に進んだもので位相のずれが生じます。このずれが干渉すると波が弱まったり強まったりします。


「干渉」
偏光板で通った偏光がセロハンテープによって複屈折した時点では、私たちの目ではまだ透明に見えます。
長さ方向の光波と幅方向の光波は直交していて、干渉しないからです。
そこで、二枚目の偏光板をセロハンテープの前に置くことにより、再びある一方向の波の成分だけが通ります。
同じ方向になることで干渉が起こり、位相のずれによって光波が弱まったり強まったりし、ある特定の色とし
て見えるのです。

これらの原理を使ってセロハンテープの厚さ、角度によって二枚の偏光板に挟んだセロハンテープの色が変わること
を調べました。

まずは実験の下拵えとして、スライドガラスにセロハンテープを貼りました。
実験ではセロハンテープの厚さによる変化を調べるので、右にいくにつれ、セロハンテープの枚数が
多くなっています。




測定試料の作製
1.セロハンテープを用い、４枚をスライドガラスの上にずらしながら張り合わせ、厚さの異なる位相板を作成
　しました。
2.測定試料は、角度θp=90°で固定された二枚の偏光板の間に挿入した。このとき、白色光を入射したときの
　彩度が最大となるように位相板を固定し、試料を測定し、二枚の偏光板の角度差を測定する実験を行いました。

位相板の厚さの評価
1.それぞれの位相板において、透明粘着テープの表面から対向するスライドガラスの表面までの厚さを、
マイクロメータを用いて測定しました。
2.透明粘着テープが0枚から4枚の位置で測定を行いました。



偏光板で挟むと、色が付いて見えます。厚さによって色が変化するようです。



色の変化を数値として観測するために、上図のような機器を使いました。
タングステンランプの白色光を作った試料に当て、試料を通して出てきた光をフォトマルチメータに集光します。



透過スペクトルの評価
1.透過スペクトルの測定系を組み立て、タングステンランプ、集光レンズ、測定試料、分光器を設置して、
　光軸を調整する。
2.タングステンランプより発散した白色光をスリットで調整した後、集光レンズによって測定試料上に集光し、
　測定試料を通過した光を集光し、分光器に入射させる。
3.分光器の出射光を光電子倍増管（PM管）で受光し、コントロールアンプの表示値から出力電圧を測定
　し、テープが貼られていないガラスのみの位置に集光させ、分光器の選択波長を動かし、PM管出力電圧が８V
　以下になるように、PM管負電荷を調整したあと、分光器のダイアルを400nm〜620nmの範囲で10nmおきに設定し、
　参照光の出力電圧V(λ)を測定する。
4.位相板のセロハンテープが１〜４枚重なったところに集光させ、透過光の出力電力を0°と90°で変え、
　測定する。

波長によって色が変化するので、上図のように可視光の波長範囲内で光の強度を調べました。
貼られているセロハンテープの厚さによって波長分布が変化していることがわかります。


以上のような実験を通してセロハンテープによって色がつく理由を発表で説明していきます。