布儒斯特角及其光學(xué)應(yīng)用

1、淺談布儒斯特角及其光學(xué)應(yīng)用摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，現(xiàn)今除了利用布儒斯特角獲得線偏振光外與布儒斯特角相關(guān)的實驗概念，如其計算和測量等等在生產(chǎn)生活、科學(xué)研究、高校教學(xué)等方面均有十分廣泛的用途和非常突出的實用價值。因此，深入研究布儒斯特角，進一步拓展布儒斯特定律的實際應(yīng)用，是現(xiàn)代光學(xué)的一個非常有價值的研究方向。本文首先對布儒斯特角的來源向讀者做了簡單介紹，指出布儒斯特做了大量實驗，終于在1815年，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)反射光與折射光垂直時，反射光完全偏振。然后對布儒斯特角、布儒斯特定律、布儒斯特窗、布儒斯特條紋、布儒斯特體視鏡等相關(guān)概念做了敘述。緊接著為了讀者更能清楚的理解布儒斯特定律，我簡單對光的偏振

2、現(xiàn)象為大家做了闡述。最后，因為布儒斯特定律在生活中的應(yīng)用有很多,并且具有很強的實用價值和可操作性,所以我們在了解研究布儒斯特角時，要對其應(yīng)用進行合理的分類，本文中，我們將其應(yīng)用分為四大類，即布儒斯特角在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用、在科學(xué)研究中的應(yīng)用、在高校教學(xué)中的應(yīng)用以及其他應(yīng)用。對于每類應(yīng)用，我們會舉出相應(yīng)的實例，并為大家解釋其中的原理。關(guān)鍵詞：布儒斯特角；布儒斯特定律；布儒斯特窗；光的偏振；光的波動性；On the Brewster angle and optical applicationsAbstract: With the development of science and technolo

3、gy, Now, In addition to using the Brewster angle to get outside of linearly polarized light, Concepts and experiments related to the Brewster angle, As its calculation and measurement in production and life, Scientific research, Teaching and other universities are very versatile and very prominent p

4、ractical value. Therefore, In-depth study of the Brewster angle, Further expand the practical application of Brewster's law, Is a very valuable research direction of modern optics. Firstly, the source of the Brewster angle to the reader a brief introduction, Said: Brewster's done a lot of ex

5、periments, and finally in 1815, he found that when the reflection and refraction of light perpendicular to the light, the reflected light is completely polarized. Second, do a narrative to the Brewster angle, Brewster's law, Brewster windows, Brewster fringes Brewster stereoscope and other relat

6、ed concepts do a narrative. And then for the reader to understand Brewster's law more clearly, I simply described light polarization phenomena for everyone. Finally, because there are many uses of Brewster Law in life and has strong practical value and operability so when we learn the Brewster a

7、ngle, we need make a reasonable classification of its uses, In this article, We make its uses into four categories, That Brewster angle in the production of life, In scientific applications, in university teaching and other applications. For each type of application, I will cite the appropriate inst

8、ance and explain the principle.Keywords: Brewster angle; Brewster Law; Brewster window; Polarization of the light; Wave nature of light前 言振動狀態(tài)的傳播就是波動，波動時物質(zhì)運動的一種很普遍的形式。光的干涉和衍射現(xiàn)象揭示了光的波動性，但還不能由此確定光是橫波還是縱波（橫波：在波動中，質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向相互垂直；縱波：在波動中，質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向相互垂直）。而偏振現(xiàn)象則是判斷橫波最有力的證據(jù)。光的偏振有五種可能的狀態(tài)：自然光、部分偏振光、線偏

9、振光、圓偏振光和橢圓偏振光。自然界的大多數(shù)光源發(fā)出的光是自然光。根據(jù)我們所學(xué)過的菲涅爾-惠更斯原理，可以了解到：自然光照射到電介質(zhì)界面上時，會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，通常狀態(tài)下的反射光和折射光是部分偏振光，然而這些偏振光的偏振方向往往不確定，從而無法被人們所應(yīng)用，在實際生活中我們常常需要具有一定的偏振方向的光。根據(jù)布儒斯特定律，利用布儒斯特角可以從自然光中獲得具有特定方向的偏振光。在本文中，我們主要討論與布儒斯特定律及布儒斯特角相關(guān)的來源、相關(guān)的實驗概念及其在現(xiàn)代光學(xué)中的應(yīng)用。布儒斯特定律在生活中的應(yīng)用有很多,并且具有很強的實用價值和可操作性,在這里,我們應(yīng)該對布儒斯特的發(fā)現(xiàn)表示感謝,記住他為我們

10、生活的進步所作出的貢獻。一、緒論1.1 研究背景與研究意義 光的干涉和衍射實驗證明了光的波動性質(zhì)。而光的偏振現(xiàn)象（波的震動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振，它是橫波區(qū)別于縱波的一個最明顯的標(biāo)志，只有橫波才有偏振現(xiàn)象）表明光是橫波而不是縱波，即其電矢量E和磁矢量H的振動方向都與傳播速度v垂直。對于光偏振現(xiàn)象的解釋在光學(xué)發(fā)展史中有很重要的地位。光的偏振性使人們對光是如何進行傳播的問題有了更為深刻的了解，目前，偏振光在各個領(lǐng)域，如電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造、現(xiàn)實生活的現(xiàn)象解釋、國防科技的研發(fā)、高校教學(xué)的科研項目等等，有著十分廣泛的應(yīng)用。對光的偏振現(xiàn)象的研究實驗與解釋與對光的干涉、衍射現(xiàn)象的解釋一樣都屬于波

11、動光學(xué)的重要組成部分，在光學(xué)這門專業(yè)性很強的學(xué)科的發(fā)展的歷史長河中有著舉足輕重的重要地位。如何簡單、高效的獲取偏振光，一直以來都是物理學(xué)家潛心研究的一個大的項目方向。通過對光學(xué)簡史的學(xué)習(xí)，我們了解到在1815年，英國物理學(xué)家D.布儒斯特發(fā)現(xiàn)當(dāng)當(dāng)自然光在兩種介質(zhì)的分界面上反射和折射時，反射光和折射光都將成為部分偏振光（自然光在傳播過程中，如果受到外界的作用，造成各個振動方向上的強度不等，使某一方向的振動比其他方向占優(yōu)勢，所造成的這種光叫做部分偏振光）；在特定的情況下，即入射光的入射角為某特定角度時反射光才是線偏振光（在光波中，光矢量的振動方向在傳播過程中保持不變，只是它的大小隨位相改變的光），其

12、振動方向與入射面垂直，此特定角稱為布儒斯特角或起偏振角，用b表示。上述規(guī)律后被稱作是布儒斯特定律。對于此定律的正確性，后來的實驗和麥克斯韋定律均有驗證。除了獲得線偏振光外，與布儒斯特角相關(guān)的實驗概念，如其計算和測量等等在光學(xué)實驗中和實際生活中均有十分廣泛的用途和非常突出的實用價值。因此，深入研究布儒斯特角，進一步拓展布儒斯特定律的實際應(yīng)用，是現(xiàn)代光學(xué)的一個非常有價值的研究方向。1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前，光學(xué)工程、通信工程、光電科學(xué)技術(shù)與工程、量子力學(xué)、微電子技術(shù)、生化工程等領(lǐng)域?qū)τ诓既逅固亟堑膽?yīng)用越發(fā)的廣泛和成熟。生產(chǎn)生活中，布儒斯特角的應(yīng)用十分廣泛，比如利用布儒斯特定律可以獲取線偏

13、振光從而可以使人觀看立體電影，利用布儒斯特角制作偏振濾光膜并鍍在汽車前玻璃上可以防強光照射，日常生活中常見的偏光鏡也應(yīng)用了布儒斯特定律，利用布儒斯特角來進行濾光，現(xiàn)在我們常見的液晶技術(shù)中的核心原理也是布儒斯特定律，液晶顯示器應(yīng)用在生活中的方方面面，液晶顯示器具有低壓微功耗、平板顯示結(jié)構(gòu)、被動顯示形式、高清晰度、大信息量、易于彩色化、無電磁輻射以及長壽命等顯著優(yōu)點，在電子手表、計算器、儀器儀表、電視以及大屏幕廣告等方面被廣泛運用在科學(xué)研究領(lǐng)域，上世紀(jì)九十年代，首臺布儒斯特角顯微鏡（BAM）就已經(jīng)問世并一步步在研究薄膜的單層相微區(qū)和有序現(xiàn)象、LB膜均勻性等方面被科學(xué)家們廣泛應(yīng)用。利用布儒斯特角顯微

14、鏡觀測生物酸（如花生酸、大豆酸）單分子膜成膜過程中表面形貌的動態(tài)變化，分析生物酸單分子膜的形成機理已成為科學(xué)家門研究生物工程領(lǐng)域問題的主要手段。在高校的教學(xué)過程中，老師常常就可以利用這一原理來為同學(xué)演示如何通過利用玻璃片堆來獲得透射為純潔的平面偏振光。在實驗室中，老師和同學(xué)進行光學(xué)實驗常用到激光作為光源,氣體激光器中使用布儒斯特窗作為激光束的輸出窗片。氣體激光器往往要求在輸出光束的光路中不能有絲毫的損耗,而采用布儒斯特窗并在布氏角下入射可以使rp=0但 tp=1,也就是 p偏振分量照射到布儒斯特窗片上的透過率是100%而不產(chǎn)生損耗。另外，在進行刑事偵查時，警察同志在案發(fā)現(xiàn)場對商場、博物館等公共

15、設(shè)施櫥窗內(nèi)陳列的物品進行拍照取證時，往往會因為玻璃反光，從而導(dǎo)致所拍攝的陳列品的細(xì)節(jié)顯示不清楚，這是因為櫥窗都是由透明度非常高的玻璃制成的。此時，我們可以利用布儒斯特角照相來去掉櫥窗表面的反光?？梢?，人們在現(xiàn)實生活中的方方面面都可以根據(jù)布儒斯特定律，利用布儒斯特角來達成許多難以達到的目的。對于布儒斯特定律的研究以及對布儒斯特角的應(yīng)用會不斷得到大力的發(fā)展。1.3 本文的主要工作鑒于本文面對的閱讀人群較廣，作者想要淺顯易懂的向讀者講述布儒斯特角及其應(yīng)用，所以本文從光的偏振現(xiàn)象入手開始介紹，進而一步步引出關(guān)于布儒斯特角的相關(guān)概念，最后對布儒斯特角的應(yīng)用進行簡單分類，并對所提到的應(yīng)用實例一一做簡單的說

16、明。希望對光學(xué)有任意基礎(chǔ)讀者通過閱讀本文，都能夠?qū)Σ既逅固亟恰⒉既逅固囟傻南嚓P(guān)知識及其光學(xué)應(yīng)用有所了解。二、布儒斯特角2.1 馬呂斯與偏振現(xiàn)象馬呂斯（Etienne Louis Malus,17751812），生于巴黎，本來是從事軍工的，只是在業(yè)余時間，才去探索法國科學(xué)院的懸賞題目。他偶然發(fā)現(xiàn)，從盧森堡宮的窗扉反射到他自己的居室的太陽光，在穿過一塊晶石后，當(dāng)晶石處于某一位置時，有一條折射光將消失。他當(dāng)時認(rèn)為也許是光通過空氣所造成的，便想通過某種修正加以解釋。但在晚上，他有發(fā)現(xiàn)以36°照射到水面上的蠟光經(jīng)反射后，其反射光有同樣的現(xiàn)象，即用一晶石去觀察，當(dāng)晶石在某位置處，有一條折射光將

17、消失，即反射光是偏振光。而且，當(dāng)經(jīng)過晶石的兩條光都以36°照射到水面上，再用一塊晶石去觀察，發(fā)現(xiàn)尋常光有反射時，非常光根本不反射，反之亦然。就在一夜之間，馬呂斯為現(xiàn)代物理開創(chuàng)了一新領(lǐng)域。馬呂斯對反射偏振的詳細(xì)論述，發(fā)表在阿丘耳學(xué)會會刊的第二冊第143頁。他指出，直接光與受到晶體作用后的光的不同之處，在于直接光經(jīng)晶體后總分為兩束光，而已經(jīng)受到晶體作用后的光是否分為兩束，則有賴于入射面與主截面之間的夾角。而且，不只是冰島石有這種現(xiàn)象，很多物質(zhì)都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，如碳酸鋁、碳晶體等。通過實驗，他得出如下結(jié)論：經(jīng)過晶體后的光的性質(zhì)，完全由晶體的軸的位置所決定的，而與晶體的化學(xué)性質(zhì)及其形狀無關(guān)。

18、如以52°45反射角從水面反射來的光，都有經(jīng)過晶石后的兩束光之一的一切特征，只要該晶石的主截面與反射面相平行或垂直。當(dāng)用主截面與反射面平行的晶石去觀察這種反射光時，也只能看到一束折射光，且按尋常光規(guī)律折射；當(dāng)主截面與反射面垂直時，也只能看到一束折射光，不過是按非常光規(guī)律折射的。當(dāng)晶石處于兩個特殊位置之間時，則發(fā)現(xiàn)有兩束光；若轉(zhuǎn)動晶石，可發(fā)現(xiàn)每轉(zhuǎn)四分之一周，尋常光、非常光就交替消逝一次。要以多大的角度入射到透明體表面，其反射光才有以上所述的特征呢？馬呂斯說：“一般來說。對于折射光較多的物質(zhì)，光的這種角度較大?！边z憾的是馬呂斯沒能找到如何求得這種角度的方法，他只是意識到這種角度與物質(zhì)的光

19、學(xué)特性，如折射率，有某種關(guān)系。而是由布儒斯特找到數(shù)學(xué)上的關(guān)系的。2.2 布儒斯特與偏振現(xiàn)象布儒斯特原先是學(xué)習(xí)宗教的，但是從未從事過宗教事務(wù)。他從1799年才開始從事光學(xué)研究。他側(cè)重于實驗研究，做過很多重要的實驗。在馬呂斯對偏振，特別是反射光的偏振做了詳細(xì)研究之后，布儒斯特做了大量實驗，終于在1815年，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)反射光與折射光垂直時，反射光完全偏振。布儒斯特指出，欲使反射光成為線偏振光，由菲涅爾公式可知，只要使（為反射角，為折射角），電矢量的平行分量就完全不能反射，反射光中只剩下垂直于入射面的分量。這樣，反射光就成了線偏振光。 以布儒斯特角入射時的反射光和折射光如上圖所示。這個特殊的角用表示，如

20、令此時的折射角為，則，故，式中和分別為入射光束和折射光束所在介質(zhì)的折射率。如光從空氣入射到介質(zhì)界面上=1，對于一般的玻璃來說，=1.5，則=57°；對于石英來說，=1.46，則=55°38。2.3 布儒斯特角及其相關(guān)概念布儒斯特角（Brewster angle）：又經(jīng)常被稱為起偏振角、偏振化角或是偏振角。當(dāng)自然光從介質(zhì)a（折射率為）射入介質(zhì)b（折射率為），且（）時，實驗指出，當(dāng)入射角i等于某一定值i0時，反射光為只有s分量（垂直分量）的完全偏振光，而折射光仍為部分偏振光。此時，反射光線和折射光線相互垂直。即。i0稱為起偏振角或布儒斯特角。布儒斯特角起偏器（Brewster

21、angle polarizer）：現(xiàn)多用多層薄膜代替玻璃來做布儒斯特角起偏器。其中一種用BK7玻璃（折射率為1.51）作為基片，在其上涂上到高折射率二氧化鈦（2.25）和低折射率（1.45）的二氧化硅多層膜，以56.5度角入射，效果很好。因其有多層高低折射率膜，故又稱為薄膜偏振器，與常見的二向色微晶制成的所為“人造”偏振片有別。布儒斯特定律（Brewster law）：當(dāng)自然光從介質(zhì)a（折射率為）射入介質(zhì)b（折射率為），且（）時，若入射角為，則反射光是線（面）偏振的，而其偏振面與入射面平行，此時入射角就稱作布儒斯特角。入射角是布儒斯特角時，折射入媒質(zhì)b的光線與反射回媒質(zhì)a的光線成90°

22、;。此即為布儒斯特定律。最常見的媒質(zhì)a為空氣，故，于是起偏角為。布儒斯特角窗（Brewster angle window）：為了獲得偏振光，在共振腔的兩端安置布儒斯特窗，使光以布儒斯特角入射到腔口窗口。布儒斯特條紋（Brewster fringe）：當(dāng)光通過兩平行放置的等候玻璃時，一條光線在第一板中折射后即穿出，此光線在第一板中反射后分出的光線再經(jīng)又一次反射后才穿出，而后一條光線僅經(jīng)折射即行穿出。故二者光程相等，無干涉條紋出現(xiàn)。但若兩板有微小夾角，則二者光程有差別，故產(chǎn)生干涉條紋。布儒斯特體視鏡（Brewster stereos cope）：用于觀察一對體視圖，布氏用兩片兼有棱鏡作用的透鏡，圖

23、片間的距離雖然比瞳距大，但可以放下，同時透鏡可以使眼睛不必調(diào)適，減少疲勞。圖片小時，透鏡則不必帶棱鏡作用。以上即為布儒斯特角相關(guān)定義及有關(guān)用途的定義。2.4 布儒斯特角的計算和測量 如何求布儒斯特角及準(zhǔn)確的對其進行測量是本科階段我們要做的一個重要課題。下面簡要分析一下。我們知道只有使反射光或折射光中的某一分量為0才能使我們得到的反射光或折射光為平面波。只有當(dāng)時 ,兩分量強度之比為0。在這種情況下,反射光只包含s分量,為線偏振光,如圖1所示。由折射定律可知,此時必有: 即: ,此即布儒斯特角.目前高校實驗中多利用分光計實驗裝置,在望遠(yuǎn)鏡前增加一偏振片,稍做改動,即可觀察光在各向同性介質(zhì)分界面上反

24、射和折射時的偏振現(xiàn)象,又可以既簡單又精確地測量布儒斯特角,并驗證布儒斯特定律。所測實驗結(jié)果與其他精實驗所得結(jié)果相當(dāng)吻合,其相對百分誤差不足04。實驗中用鈉光燈作光源測量三棱鏡的布儒斯特角,原理圖如圖2所示。布儒斯特角，其中測量結(jié)果如下表所示。次數(shù) 1 21'2'i1287°23 107°24220°1840°19 67°5 2287°28 107°29220°1840°1967°103287°19107°20220°19 40°20 67&

25、#176;04287°22 107°23220°1840°1967°45287°18107°19220°1740°1867°1 計算結(jié)果如下：但是,由于光強帶來的不足和傳統(tǒng)設(shè)備光強受實驗環(huán)境干擾嚴(yán)重,測量精度受到一定限制。CCD是一種新型的光電轉(zhuǎn)換器件,具有較好的光電轉(zhuǎn)換特性,可以得到由光的反射和衍射得到的直觀的光強曲線,因此也可被應(yīng)用到精確測量布儒斯特角中。其原理圖如圖3所示,這里不做展開。三、光的偏振現(xiàn)象3.1 偏振光及其相關(guān)概念的定義由普通光源所發(fā)射的光波，在光的傳播方向上的任意一個場點，

26、電矢量既有空間分布的均勻性，又有時間分布的均勻性。也就是在軸對稱的各個方向上電矢量的時間平均值是相等的，具有這種特點的光稱為自然光。偏振光是指光矢量的振動方向不變或具有某種規(guī)則變化的光波。光的電磁理論指出，光是電磁波，光的振動矢量E與光的傳播方向垂直。但是，在垂直于光的傳播方向平面內(nèi)，光矢量E還可能有各種不同的振動狀態(tài)。我們把光的振動方向和傳播方向組成的平面稱為振動面。光的振動方向在振動面內(nèi)具有不對稱性，這叫做偏振，偏振光是光矢量不均勻分布造成的。3.2 偏振光的分類在這里，我們首先將偏振光分為均勻偏振光與非均勻偏振光兩類。對于均勻偏振光，我們有根據(jù)光波電矢量的端點在波面內(nèi)描繪的軌跡的形狀，來

27、劃分偏振光的種類。 線偏振光：光矢量的振動方向在傳播過程中保持不變，只是它的大小隨位相在改變 均勻偏振光 圓偏振光：光矢量端點軌跡是一個圓 橢圓偏振光：光矢量的端點軌跡是一個橢圓 偏振光 非均勻偏振光：非均勻偏振光的偏振態(tài)比較復(fù)雜，例如徑向偏振光是電矢量振動方向在光束橫截面上具有軸對稱性、始終沿著徑向的一種偏振光。其電場數(shù)學(xué)表達式為：Er(r,)=Eo(r)er03.3 偏振光的產(chǎn)生自然光不能直接顯示偏振現(xiàn)象，也就是說偏振光不能從光源直接獲得，從自然光獲得偏振光的方法，歸納起來有四種：（1）利用反射和折射：通過反射和折射產(chǎn)生偏振光的光路圖 利用上圖中的方法，可以獲得反射偏振光和折射偏振光。其中

28、反射光和折射光都是部分偏振光，他們各自形成偏振光的特點是：垂直（平行）于入射面的振動大于平行（垂直）于入射面的振動。（2）利用二向色性：二向色性本來是指某些各項異性的晶體對不同振動方向的偏振光有不同的吸收系數(shù)的性質(zhì)。在天然晶體中，電氣石具有強烈的二向色性。1mm厚的電氣石可以把一個方向振動的光全部吸收掉，使透射光成為振動方向與該方向垂直的線偏振光。（3）利用晶體的雙折射：當(dāng)一束單色光在各向異性晶體的界面折射時，一般可以產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象叫做雙折射。兩束折射光分別為尋常光（o光）和非常光（e光）。如果用檢偏器來檢驗o光和e光的偏振狀態(tài)，就會發(fā)現(xiàn)o光和e光都是線偏振光。（4）利用散射：當(dāng)用自

29、然光入射時，散射光有一定程度的偏振（偏振程度與角有關(guān)）。在與入射光垂直的方向上，散射光是完全偏振光；在入射光的方向上，散射光仍為自然光；而在其他方向上，散射光為部分偏振光。四、布儒斯特角的光學(xué)應(yīng)用4.1 布儒斯特角光學(xué)應(yīng)用的廣泛性及分類在許多光學(xué)設(shè)備中,都應(yīng)用布儒斯特定律來制作偏振鏡來做濾光設(shè)備。比如偏振墨鏡使用了布儒斯特角的原理來減少從水面或者路面反射的偏振光。攝影師利用相同的原理來減少水面、玻璃或者其他非金屬反射的太陽光。實驗室中,我們也有玻璃堆,布儒斯特鏡等常見設(shè)備,利用其獲得激光及我們實驗所需的屏幕偏振光,可見其應(yīng)用的廣泛性。布儒斯特定律在生活中的應(yīng)用有很多,并且具有很強的實用價值和可

30、操作性,所以我們在了解研究布儒斯特角時，要對其應(yīng)用進行合理的分類，本文中，我們將其應(yīng)用分為四大類，即布儒斯特角在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用、在科學(xué)研究中的應(yīng)用、在高校教學(xué)中的應(yīng)用以及其他應(yīng)用。對于每類應(yīng)用，我們會舉出相應(yīng)的實例，并為大家大略的解釋其中的原理。4.2 布儒斯特角在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用4.2.1 利用布儒斯特角使人們可以觀看立體電影立體電影的拍攝是基于兩個攝影機的。在拍攝立體電影是，用兩臺同步攝影機，調(diào)整好他們之間的距離，使那兩部攝影機的拍攝角度剛好與雙眼觀看物體的角度一致、這樣獲得的兩部電影拷貝，記錄的是同一個景物，而且從左右兩個不同方位拍攝下來的“左拷貝”和“右拷貝”。在放映室，也采用下圖所

31、示的兩部同步放映機，熒幕上同時映出兩個畫面，但是在兩臺放映機鏡頭前各放置一枚根據(jù)布儒斯特定律利用布儒斯特角制成的人造偏振片，他們的透振方向相互正交。例如在放映右拷貝的機器前，放置一塊透振方向水平的偏振片，左拷貝放映機前的偏振片的透振方向則是豎直的。顯而易見，銀幕上的兩個畫面是分別用透振方向相互垂直的平面偏振光放映出來的。而觀察者為了形成立體視覺，必須使他們的雙眼各自接受一個圖像，即左眼接受左拷貝的畫面，有眼接受右拷貝的畫面，而且左右互不想干擾，要實現(xiàn)這一點，根據(jù)布儒斯特定律，運用布儒斯特角偏振片的檢偏作用，即觀察者戴上有人造偏振片制成的偏光眼鏡，偏光眼鏡的左鏡片透振方向是豎直的，右鏡片的透振方

32、向是水平的，這樣，觀察者的雙眼分別接收到來自左右拷貝的兩個圖像，這兩個圖像和直接觀察立體景物的兩個圖像沒有什么區(qū)別，由兩眼感覺的合成效應(yīng)，得到立體感的圖像。值得指出的是，如果你卸下眼鏡，銀幕上并沒有立體景物，看到的卻是兩幅左右稍許錯開的、略微差異的平面圖片。上面介紹立體電影的原理時，提到的雙機同步攝影、雙機同步放映以及雙拷貝卻是是在早期的立體電影中采用過的?，F(xiàn)在，由于配用了必要的光學(xué)附件，使攝影機放映的器材有了較大的進展。例如采用了單機、雙鏡頭、單片攝影和單機、單鏡頭、單片放映。還有一個十分重要的問題立體電影的銀幕，需要簡單的做一交代。如果將平面偏振光透射的畫面放映在普通銀幕，觀察者很難獲得立

33、體感覺的效果，這是由于銀幕的退偏振作用的緣故，為了克服這一困難，立體電影的銀幕是特制的，它在普通銀幕上噴繪了一層俗稱銀化粉的材料，其實它的主要成分是鋁粉和漆。鋁粉的粒度要求甚高，經(jīng)金屬粒子的散射以防止退偏振的產(chǎn)生，這種銀幕稱非退偏振的銀幕。4.2.2 利用布儒斯特角制作可以防強光的偏振玻璃 為了出行快捷方便或是為了節(jié)省時間，現(xiàn)在有很多司機師傅選擇在夜間出行。近期夜間交通事故頻發(fā)，經(jīng)統(tǒng)計，事故原因大多汽車在夜晚行駛時，車前燈發(fā)射出來的強烈光線會使對面汽車的司機因為太刺眼而睜不開眼睛，看不清道路狀況，無法第一時間作出正確反映而釀成悲劇。這對司機師傅夜間行車造成的嚴(yán)重的不良影響。面對這個問題，我們可

34、以根據(jù)布儒斯特定律，利用布儒斯特角制成可以防強光的偏振玻璃，在普通車用玻璃上鍍一層布儒斯特偏振膜，這樣從車前玻璃發(fā)出的光就成為了偏振光。如果玻璃的偏振玻璃方向恰好與燈光振動方向垂直，司機在看清自己車燈所照物體的同時，也能避免對面汽車的強光刺激，這樣在夜晚行車就更加安全、有保障了。 同樣，在春夏兩季，白天日照往往十分強烈，馬路上以及周邊的樓層玻璃、廣告牌等會對太陽光線有強烈的反射，這些反射光線經(jīng)常會對在駕車過程中的司機師傅做成不良的干擾，存在著巨大的安全隱患。但是，因為光是橫波，所以這些給司機造成干擾的散射光基本是在水平方向振動，這樣，根據(jù)布儒斯特定律，利用布儒斯特角，我們制造出能夠有效抵擋散射

35、光線的偏振太陽鏡，司機師傅可以購買并在出行時佩戴，這樣，可以保障我們安全出行。 4.2.3 利用布儒斯特角制作液晶顯示器液晶于1888年由奧地利植物學(xué)家萊尼采爾發(fā)現(xiàn)。第二年德國物理學(xué)家萊曼用偏光顯微鏡觀察這種粘稠渾濁的液體時，發(fā)現(xiàn)存在雙折射現(xiàn)象。于是他把這種具有光學(xué)各向異性、流動性的液體成為液晶。液晶可以分為向列型，旦甾型和近晶型三種。它有許多獨特的光學(xué)性質(zhì)。有熱光、電光和磁光等效應(yīng)。另外，在許多生物組織中也存在液晶，如蛋白質(zhì)、紅血球、脂類、神經(jīng)組織等都具有液晶結(jié)構(gòu)。對液晶施加電場會引起液晶分子軸重新排列，因而產(chǎn)生各種形式的電光效應(yīng)，這是液晶獲得廣泛應(yīng)用的原因。下面我們簡單討論一下電

36、控雙折射效應(yīng)。如下圖所示，將一個分子軸垂直表面排列的向列型n型液晶盒放在正交偏振器P1和P2之間。未施加電場時，入射到液晶中的線偏振光的偏振方向不受液晶分子的任何影響，因而不能透過檢偏器P2，液晶盒是不透明的。當(dāng)在液晶盒的兩極之間施加超過閥值的電場時，理論證明N型液晶為保持內(nèi)能最小，其分子軸將力圖轉(zhuǎn)向與電場垂直的方向；而且液晶盒兩基片經(jīng)用物理化學(xué)方法預(yù)處理后，可以使分子軸在與P1、P2的透光軸都成45°角的平面內(nèi)轉(zhuǎn)到與電場成傾角的方向，的大小依賴于電場。當(dāng)線偏振光射入液晶后，分解成o光和e光，o光折射率為。根據(jù) 得e光折射率 設(shè)液晶的厚度為d，則o光和e光通過液晶盒后的相位差為因此透

37、過檢偏器的光強為由于通過依賴于電場，因而系統(tǒng)輸出光強也依賴于加在液晶盒上的電壓。當(dāng)電壓為零時，當(dāng)電壓增加到的，I有極大值。利用上述效應(yīng)，可以制作液晶開關(guān)或液晶顯示器。此外，系統(tǒng)輸出光強還依賴于波長。因而當(dāng)用白光入射時，透射光呈現(xiàn)一定的顏色，這與晶體的干涉色類似。液晶顯示器是一種光偏振調(diào)制的資訊顯示器件。它的主要構(gòu)造是以經(jīng)過配向處理的兩片玻璃板之間灌入液晶分子，其中的透明電極則用來外加電場以驅(qū)使液晶的排列產(chǎn)生變化，并使得液晶層的光電特性發(fā)生變化，進而產(chǎn)生光的調(diào)制作用。在上下玻璃板基板外側(cè)各加上一片偏振片以解調(diào)輸出光強度。這兩個偏振片的穿透軸方向則依液晶分子排列與操作模態(tài)而定。當(dāng)白光光源所射出的光

38、通過液晶顯示器的入射偏振片后，此自然光即被轉(zhuǎn)換為線偏振光，在未施加外來電場于液晶胞的情形下，入射偏振光會順著液晶分子的排列旋轉(zhuǎn)前進，在正常黑的操作模式時，由于偏振光被出射偏振片阻擋而吸收，因而顯示器畫面輸出暗的狀態(tài)；相反地，若施加電壓時，液晶分子傾向平行于施加電場的方向，因此，當(dāng)液晶分子受此外加電場而垂直于玻璃基板表面，則線偏振光將直接通過液晶胞到達出射偏振片。由于入射偏振光的偏振狀態(tài)不受此液晶分子的影響，并保持與出射偏振片穿透軸方向一致，因而，能通過出射偏振片形成亮的狀態(tài)。因此，利用適當(dāng)驅(qū)動電壓即可得到明暗對比顯示的效果。 液晶顯示器具有低壓微功耗、平板顯示結(jié)構(gòu)、被動顯示形式、高清

39、晰度、大信息量、易于彩色化、無電磁輻射以及長壽命等顯著優(yōu)點，因此被廣泛用于電子手表、計算器、儀器儀表、電視以及大屏幕廣告等方面。4.3 布儒斯特角在科學(xué)研究中的應(yīng)用4.3.1布儒斯特角顯微鏡上世紀(jì)九十年代，首臺布儒斯特角顯微鏡（BAM）就已經(jīng)問世并一步步在研究薄膜的單層相微區(qū)和有序現(xiàn)象、LB膜均勻性等方面被科學(xué)家們廣泛應(yīng)用。通常情況下，大型光學(xué)布儒斯特角顯微鏡和部分臺式布儒斯特顯微鏡均帶有偏光裝置等附件，可同時進行明視場、暗視場、偏光等觀察。顯微鏡的偏光裝置就是在入射光路和觀察鏡筒內(nèi)各加入一個布儒斯特角偏光鏡而構(gòu)成。稱前一個偏光鏡為“起偏鏡”，作用是把來自光源的自然光變成線偏振光；稱后一個偏光

40、鏡為“檢偏鏡”，其作用是分辨被線偏振光照射于金屬磨面后出射光的偏振狀態(tài)。用以觀察不同物質(zhì)時，可以看到不同的顏色。與普通光學(xué)顯微鏡相比，偏光顯微鏡除增加了兩個附件起偏鏡和檢偏鏡外，尚要求載物臺沿顯微鏡的機械中心在水平面內(nèi)可做 360°旋轉(zhuǎn)。為讀出角度變化，載物臺上標(biāo)有角度刻度。 偏振光顯微鏡通常用來檢測生物體內(nèi)某些有序結(jié)構(gòu)、鏡體的存在及其折射光學(xué)性質(zhì)同時也可用來檢測某些組織中的化學(xué)成分。 比如科學(xué)家用德國Nanofilm公司產(chǎn)的MiniBAM型布儒斯特角顯微鏡原位觀測壓膜過程中花生酸單分子層表面形貌的動態(tài)變化時布儒斯特角顯微鏡可以較好地觀測單分子膜的均勻性與缺陷,是

41、研究單分子薄膜形成過程及其機理分析的有效手段之一。布儒斯特角顯微鏡在礦物學(xué)、化學(xué)、金相學(xué)和醫(yī)藥等方面的應(yīng)用也已日益重要起來。4.3.2光彈性方法為實驗應(yīng)力分析提供方便 塑料、玻璃等非晶體在通常情況下是各向同性的，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。但當(dāng)她們處于應(yīng)力場中時，就會變成各向異性而顯示出雙折射性質(zhì)，撤去外力后其內(nèi)部無應(yīng)力，雙折射效應(yīng)隨之消失。這種現(xiàn)象被稱為光彈性效應(yīng)。用人工雙折射材料制成構(gòu)件模型，加熱模型并施加外力，冷卻后去除外力，則雙折射材料模型中保持施力時的應(yīng)力，將模型裁成薄片，將模型薄片置于起偏器與檢偏器室之間， 兩束光經(jīng)厚度為d的形變介質(zhì)層后又射至檢偏器，根據(jù)布儒斯特定律，利用布儒斯特

42、角偏振片，使這時的兩束光都成為振動方向平行于偏振器起振方向的線偏振光，因而能夠通過檢偏器。由于它們頻率相同，有固定的相位差，振動方向有相同，因而能產(chǎn)生干涉，應(yīng)力分布決定了干涉條紋的分布情況：應(yīng)力集中處的干涉條紋緊密；應(yīng)力分散處的干涉條紋稀疏，所以從干涉條紋的分布可以分析應(yīng)力分布的請款。如果應(yīng)力分布相當(dāng)復(fù)雜，那就會呈現(xiàn)五彩繽紛的復(fù)雜圖案。利用這個方法可以研究介質(zhì)應(yīng)力的分布。例如，玻璃在制造過程中，由于冷卻不均勻使內(nèi)部受到不同程度的應(yīng)力，常常會自行破裂。把玻璃放在兩塊布儒斯特角偏振片之間觀察應(yīng)力引起的雙折射現(xiàn)象，就可以檢查出內(nèi)部應(yīng)力的分布情況。為了消除光學(xué)玻璃的內(nèi)部應(yīng)力，在磨制光學(xué)元件（例如天文望

43、遠(yuǎn)鏡的鏡頭等）之前，必須進行緩冷處理和偏振光檢查。 利用這個方法，還可以制成光測彈性儀用再制造業(yè)中。例如為了設(shè)計一個機械零件、橋梁或水壩，可用透明塑料板模擬它的形狀，并根據(jù)該零件在實際工作中的受力情況按比例的加上它所受的力，然后用光測彈性儀就可顯示出其中的應(yīng)力分布情況。這種方法目前已發(fā)展成為一個專門的學(xué)科光測彈性學(xué)，它為工程設(shè)計解決了及其復(fù)雜的應(yīng)力分析問題。4.3.2布儒斯特角反射顯影技術(shù)布儒斯特角反射顯影術(shù)是基于布儒斯特定律，利用布儒斯特角的現(xiàn)廣泛應(yīng)用于對單層分子膜相變形態(tài)學(xué)的研究的一項新的光學(xué)技術(shù)。很多年來,人們常用熒光顯影術(shù)來研究單分子膜相變形態(tài)學(xué)。但這種方法有著顯而易見的缺點,因為熒光

44、物質(zhì)就好比是滲入膜分子中的雜質(zhì),這些“雜質(zhì)”對分子膜的成份和結(jié)構(gòu)會有所改變，并對所測結(jié)果的準(zhǔn)確性有不良影響。布儒斯特角反射顯影技術(shù)最在上世紀(jì)九十年代被人們所發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用,利用這種技術(shù)可以有效解決上述問題.。技術(shù)原理為:光在兩種透明介質(zhì)界面的反射,可分為平行于入射面的偏振光P和垂直于入射面的偏振光:,它們的反射比分別為:其中，為入射角，為折射角，由上述兩式知，；而則不然，當(dāng)，即時，這時反射光僅為垂直偏振光，稱為布儒斯特角。如下圖所示，平面偏振光沿布儒斯特角入射到空氣與水的界面,幾乎沒有反射,僅有的一點是由于液面波動導(dǎo)致的非理想界面的基礎(chǔ)反射(反射比為w)。如在界面上有一層分子膜,可視為異于空氣、水

45、且折射率為n的第三種光學(xué)介質(zhì)。光在形成的界面多次反射、折射、疊加,會出現(xiàn)一個新的反射比R?？偟膩碚f,R在布儒斯特角是最小的,但它不為零,而且隨界面的分子膜性質(zhì)變化很大。布儒斯特角反射實驗光路圖應(yīng)用實例：通過運用此技術(shù)，我們可以觀察到，脂酸分子膜中，分子碳鏈有一致的傾斜方向，在光學(xué)上表現(xiàn)出各相異性；不同區(qū)域因其傾斜方向不同，有不同的光軸，因而反射光偏振方向會偏離入射面。在相機前置一偏振器（上圖中虛線），可觀察到這種現(xiàn)象。布儒斯特角反射比(R)對單分子膜的靈敏度極佳,同時此技術(shù)不需要介入其它物質(zhì),與其他技術(shù)相比較，此方法既已操作又較為精確,同時可以展現(xiàn)出分子膜有關(guān)形態(tài)的許多新內(nèi)容,是研究單分子膜性

46、質(zhì)的一種十分有效的現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)。4.4 布儒斯特角在高校教學(xué)中的應(yīng)用4.4.1平行平面玻璃片堆起偏器平行平面玻璃片堆起偏器：自然光經(jīng)過某一介質(zhì)材料表面以布儒斯特角入射時,反射光成為線偏振光，其振動方向垂直于入射面。根據(jù)這一原理,可以利用玻璃片來獲得線偏振光。光線自空氣射向折射率為1.5的玻璃時，布儒斯特角為56.3度。這里，我們要指出，當(dāng)自然光按起偏振角入射時，在經(jīng)過一次反射、折射后，反射光雖然是完全偏振光，但光強很弱，對于單獨一個玻璃來說，垂直于入射面的振動的光能只被反射一小部分（約15%）；因此折射光影視部分偏振光，它占有入射光中的平行于入射面的振動的全部光能和垂直于入射面的振動的大部分光

47、能。為了增強反射光的強度和折射光的偏振化程度，可以把這些具有平行平面的玻璃片疊起來，成為平行平面玻璃片堆。當(dāng)自然光通過玻璃片堆時，如下圖所示，入射光在各層玻璃面上經(jīng)過多次的反射和折射，使得反射光的垂直于入射面的振動成分得到加強；同時折射光的偏振化程度逐漸增加。玻璃片數(shù)越多，透射光的偏振化程度越高。當(dāng)玻璃片足夠多時，最后透射出來的折射光就接近于完全偏振光，其振動面就在折射面內(nèi)，與反射全偏振光的振動面相互垂直。4.4.2布儒斯特窗布儒斯特窗：實驗室中的光學(xué)實驗常用到激光作為光源,為了提高激光的輸出功率，在激光器中也采用了布儒斯特角的裝置布儒斯特窗。如下圖所示的是一種外腔式氣體激光器。在激光器的兩端

48、裝有布儒斯特窗B。當(dāng)光在兩鏡面M間來回反射并以布儒斯特角射到窗B上時，平行于入射面振動的光不發(fā)生反射而完全透過，而垂直于入射面振動的光則陸續(xù)被反射掉，以致不能發(fā)生振蕩。這樣，最后就只有平行于入射面振動的光能在激光器內(nèi)發(fā)生振蕩而形成激光。4.4.3布儒斯特角法測量金屬薄膜折射率最近一段時間。光學(xué)工程、凝聚態(tài)物理學(xué)、生化技術(shù)等教學(xué)工作中對薄膜技術(shù)的運用逐漸增加。如何合理準(zhǔn)確的應(yīng)用薄膜技術(shù)是目前學(xué)者們面臨的一個重要課題，然而能否準(zhǔn)確的測量薄膜的各個常量就顯得尤為重要了。高校中，我們常常用光譜法、橢圓偏振法等測量光學(xué)薄膜各個參量。然而，應(yīng)運這些測量方法往往要用到造價很高的精密儀器，很多高校承擔(dān)不起這樣的教學(xué)成本?，F(xiàn)在，在測量精度要求不高的情況下。我們根據(jù)布儒斯特定律，利用布儒斯特角法進行測量，這種測量法既方便可行又節(jié)約成本。