布儒斯特角及其光学应用

1、浅谈布儒斯特角及其光学应用摘要：随着科学技术的日益发展，现今除了利用布儒斯特角获得线偏振光外与 布儒斯特角相关的实验概念，如其计算和测量等等在生产生活、科学研究、高校 教学等方面均有十分广泛的用途和非常突出的实用价值。因此，深入研究布儒斯 特角，进一步拓展布儒斯特定律的实际应用，是现代光学的一个非常有价值的研 究方向。本文首先对布儒斯特角的来源向读者做了简单介绍，指出布儒斯特做了大量 实验，终于在1815年，他发现当反射光与折射光垂直时，反射光完全偏振。然 后对布儒斯特角、布儒斯特定律、布儒斯特窗、布儒斯特条纹、布儒斯特体视镜 等相关概念做了叙述。紧接着为了读者更能清楚的理解布儒斯特定律，我简

2、单对 光的偏振现象为大家做了阐述。最后，因为布儒斯特定律在生活中的应用有很多, 并且具有很强的实用价值和可操作性，所以我们在了解研究布儒斯特角时，要对 其应用进行合理的分类，本文中，我们将其应用分为四大类，即布儒斯特角在生 产生活中的应用、在科学研究中的应用、在高校教学中的应用以及其他应用。对 于每类应用，我们会举出相应的实例，并为大家解释其中的原理。关键词：布儒斯特角；布儒斯特定律；布儒斯特窗；光的偏振；光的波动性;On the Brewster ane and optical applicationsAbstract With the development of science and

3、technology, 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 arc very versatile and very pro

4、minent practical 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 lo

5、t of experiments, 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 othe

6、r related concepts do a narrative. And then for the reader to undcrsvaiid Brewster's law more clearly, 1 simply described light polarization phenomena for everyone. Finally, because there arc many uses of Brewster Law in life and has strong practical value and operability so when we learn the Br

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

8、te instance and explain the principle.Keywords: Brewster angle; Brewster Law; Brewster window; Polarization of the light;Wave nature of light刖B振动状态的传播就是波动，波动时物质运动的一种很普遍的形式。光的干涉 和衍射现象揭示了光的波动性，但还不能由此确定光是横波还是纵波（横波：在 波动中，质点的振动方向和波的传播方向相互垂直；纵波：在波动中，质点的振 动方向和波的传播方向相互垂直）。而偏振现象则是判断横波最有力的证据。光 的偏振有五种可能的状态：自然光

9、、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏 振光。自然界的大多数光源发出的光是自然光。根据我们所学过的菲涅尔-惠更 斯原理，可以了解到：自然光照射到电介质界面上时，会发生反射和折射现象， 通常状态下的反射光和折射光是部分偏振光，然而这些偏振光的偏振方向往往不 确定，从而无法被人们所应用，在实际生活中我们常常需要具有一定的偏振方向 的光。根据布儒斯特定律，利用布儒斯特角可以从自然光中获得具有特定方向的 偏振光。在本文中，我们主要讨论与布儒斯特定律及布儒斯特角相关的来源、相 关的实验概念及其在现代光学中的应用。布儒斯特定律在生活中的应用有很多, 并且具有很强的实用价值和可操作性，在这里,我们应该对布

10、儒斯特的发现表示感 谢,记住他为我们生活的进步所作出的贡献。一、绪论1.1 研究背景与研究意义光的干涉和衍射实验证明了光的波动性质。而光的偏振现象（波的震动方 向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于纵波的一个最明显的标 志，只有横波才有偏振现象）表明光是横波而不是纵波，即其电矢量E和磁矢 *H的振动方向都与传播速度v垂直。对于光偏振现象的解释在光学发展史中 有很重要的地位。光的偏振性使人们对光是如何进行传播的问题有了更为深刻的了解，目前, 偏振光在各个领域，如电子产品的生产制造、现实生活的现象解释、国防科技的 研发、高校教学的科研项目等等，有着十分广泛的应用。对光的偏振现象的研究 实

11、验与解释与对光的干涉、衍射现象的解释一样都属于波动光学的重要组成部 分，在光学这门专业性很强的学科的发展的历史长河中有着举足轻重的重要地 位。如何简单、高效的获取偏振光，一直以来都是物理学家潜心研究的一个大 的项目方向。通过对光学简史的学习，我们了解到在1815年，英国物理学家D. 布儒斯特发现当当自然光在两种介质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光 都将成为部分偏振光（自然光在传播过程中，如果受到外界的作用，造成各个振 动方向上的强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，所造成的这种光叫 做部分偏振光）；在特定的情况下，即入射光的入射角为某特定角度时反射光才 是线偏振光（在光波中，光矢量

12、的振动方向在传播过程中保持不变，只是它的大 小随位相改变的光），其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起 偏振角，用他表示。上述规律后被称作是布儒斯特定律。对于此定律的正确性, 后来的实验和麦克斯韦定律均有验证。除了获得线偏振光外，与布儒斯特角相关的实验概念，如其计算和测量等 等在光学实验中和实际生活中均有十分广泛的用途和非常突出的实用价值。因 此，深入研究布儒斯特角，进一步拓展布儒斯特定律的实际应用，是现代光学的 一个非常有价值的研究方向。1.2 国内研究现状及发展趋势目前，光学工程、通信工程、光电科学技术与工程、量子力学、微电子技 术、生化工程等领域对于布儒斯特角的应用越发的广泛

13、和成熟。生产生活中，布儒斯特角的应用十分广泛，比如利用布儒斯特定律可以获 取线偏振光从而可以使人观看立体电影，利用布儒斯特角制作偏振滤光膜并镶在 汽车前玻璃上可以防强光照射，日常生活中常见的偏光镜也应用了布儒斯特定 律，利用布儒斯特角来进行滤光，现在我们常见的液晶技术中的核心原理也是布 儒斯特定律，液晶显示器应用在生活中的方方面面，液晶显示器具有低压微功耗、 平板显示结构、被动显示形式、高清晰度、大信息量、易于彩色化、无电磁辐射 以及长寿命等显著优点，在电亍手表、计算器、仪器仪表、电视以及大屏幕广告 等方面被广泛运用在科学研究领域，上世纪九十年代，首台布儒斯特角显微镜(BAM)就已 经问世并一

14、步步在研究薄膜的单层相微区和有序现象、LB膜均匀性等方面被科 学家们广泛应用。利用布儒斯特角显微镜观测生物酸(如花生酸、大豆酸)单分 子膜成膜过程中表面形貌的动态变化，分析生物酸单分子膜的形成机理已成为科 学家门研究生物工程领域问题的主要手段。在高校的教学过程中，老师常常就可以利用这一原理来为同学演示如何通 过利用玻璃片堆来获得透射为纯洁的平面偏振光。在实验室中，老师和同学进行 光学实验常用到激光作为光源,气体激光器中使用布儒斯特窗作为激光束的输出 窗片。气体激光器往往要求在输出光束的光路中不能有丝毫的损耗，而采用布儒 斯特窗并在布氏角下入射可以使中=0但中=1,也就是p偏振分量照射到布儒斯

15、特窗片上的透过率是100%而不产生损耗。另外，在进行刑事侦查时，警察同志在案发现场对商场、博物馆等公共设 施橱窗内陈列的物品进行拍照取证时，往往会因为玻璃反光，从而导致所拍摄的 陈列品的细节显示不清楚，这是因为橱窗都是由透明度非常高的玻璃制成的。此 时，我们可以利用布儒斯特角照相来去掉橱窗表面的反光。可见，人们在现实生活中的方方面面都可以根据布儒斯特定律，利用布儒 斯特角来达成许多难以达到的目的。对于布儒斯特定律的研究以及对布儒斯特角 的应用会不断得到大力的发展。1.3 本文的主要工作鉴于本文面对的阅读人群较广，作者想要浅显易懂的向读者讲述布儒斯特 角及其应用，所以本文从光的偏振现象入手开始介

16、绍，进而一步步引出关于布儒 斯特角的相关概念，最后对布儒斯特角的应用进行简单分类，并对所提到的应用 实例一一做简单的说明。希望对光学有任意基础读者通过阅读本文，都能够对布 儒斯特角、布儒斯特定律的相关知识及其光学应用有所了解。二、布儒斯特角2.1 马吕斯与偏振现象马吕斯(Etienne Louis Malus,17751812),生于巴黎，本来是从事军工的, 只是在业余时间，才去探索法国科学院的悬赏题目。他偶然发现，从卢森堡宫的窗扉反射到他自己的居室的太阳光，在穿过一块 晶石后，当晶石处于某一位置时，有一条折射光将消失。他当时认为也许是光通 过空气所造成的，便想通过某种修正加以解释。但在晚上，

17、他有发现以36°照 射到水面上的蜡光经反射后，其反射光有同样的现象，即用一晶石去观察，当晶 石在某位置处，有一条折射光将消失，即反射光是偏振光。而且，当经过晶石的 两条光都以36°照射到水面上，再用一块晶石去观察，发现寻常光有反射时， 非常光根本不反射，反之亦然。就在一夜之间，马吕斯为现代物理开创了一新领 域。马吕斯对反射偏振的详细论述，发表在阿丘耳学会会刊的第二册第143 页。他指出，直接光与受到晶体作用后的光的不同之处，在于直接光经晶体后总 分为两束光，而已经受到晶体作用后的光是否分为两束，则有赖于入射面与主截 面之间的夹角。而且，不只是冰岛石有这种现象，很多物质都能产

18、生这种现象， 如碳酸铝、碳晶体等。通过实验，他得出如下结论：经过晶体后的光的性质，完 全由晶体的轴的位置所决定的，而与晶体的化学性质及其形状无关。如以52° 45'反射角从水面反射来的光，都有经过晶石后的两束光之一的一 切特征，只要该晶石的主截面与反射面相平行或垂直。当用主截面与反射面平行 的晶石去观察这种反射光时，也只能看到一束折射光，且按寻常光规律折射；当 主截面与反射面垂直时，也只能看到一束折射光，不过是按非常光规律折射的。 当晶石处于两个特殊位置之间时，则发现有两束光；若转动晶石，可发现每转四 分之一周，寻常光、非常光就交替消逝一次。要以多大的角度入射到透明体表面，其

19、反射光才有以上所述的特征呢？马吕 斯说：“一般来说。对于折射光较多的物质，光的这种角度较大遗憾的是马吕斯没能找到如何求得这种角度的方法，他只是意识到这种角度 与物质的光学特性，如折射率，有某种关系。而是由布儒斯特找到数学上的关系 的。2.2 布儒斯特与偏振现象布儒斯特原先是学习宗教的，但是从未从事过宗教事务。他从1799年才开 始从事光学研究。他侧重于实验研究，做过很多重要的实验。在马吕斯对偏振， 特别是反射光的偏振做了详细研究之后，布儒斯特做了大量实验，终于在1815 年，他发现当反射光与折射光垂直时，反射光完全偏振。布儒斯特指出，欲使反射光成为线偏振光，由菲涅尔公式可知，只要使i°

20、; + % = ：（，。为反射角，G为折射角），弘=。24电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。这样, 反射光就成了线偏振光。以布儒斯特角入射时的反射光和折射光如上图所示。这个特殊的角用。表示，如令此时的折射角为% ,则i° + % =£，故tani。= 2 =2 =生，式中和明分别为入射光束和折射光束所在介质的 cos z0 sin% n折射率。如光从空气入射到介质界面上尸1,对于一般的玻璃来说，4=1.5,则70二57° ;对于石英来说，2 =1.46,则，0=55° 38'。2.3 布儒斯特角及其相关概念布儒斯特

21、角（Brewster an/c）：又经常被称为起偏振角、偏振化角或是偏振 角。当自然光从介质a （折射率为%）射入介质b （折射率为，且（色） 时，实验指出，当入射角i等于某一定值论时，反射光为只有s分量（垂直分量） 的完全偏振光，而折射光仍为部分偏振光。此时，反射光线和折射光线相互垂直。即，o + G = 9。，称为起偏振角或布儒斯特角。布儒斯特角起偏器（Brewster angle polarizer）：现多用多层薄膜代替玻璃来做 布儒斯特角起偏器。其中一种用BK7玻璃（折射率为1.51）作为基片，在其上 涂上到高折射率二氧化钛（2.25）和低折射率（145）的二氧化硅多层膜，以56.5

22、度角入射，效果很好。因其有多层高低折射率膜，故又称为薄膜偏振器，与常见 的二向色微晶制成的所为“人造”偏振片有别。布儒斯特定律（Brewster law）：当自然光从介质a （折射率为勺）射入介质b （折射率为2），且（%泊）时，若入射角为arctan（上），则反射光是线（面）偏振的，而其偏振面与入射面平行，此时入射角就称作布儒斯特角。入射角是布 儒斯特角时，折射入媒质b的光线与反射回媒质a的光线成90° o此即为布儒斯 特定律。最常见的媒质a为空气，故小21 ,于是起偏角为arctan %。布儒斯特角窗（Brewster angle window）：为了获得偏振光，在共振腔的两端

23、安置布儒斯特窗，使光以布儒斯特角入射到腔口窗口。布儒斯特条纹（Brewster fringe）:当光通过两平行放置的等候玻璃时，一条 光线在第一板中折射后即穿出，此光线在第一板中反射后分出的光线再经又一次 反射后才穿出，而后一条光线仅经折射即行穿出。故二者光程相等，无干涉条纹 出现。但若两板有微小夹角，则二者光程有差别，故产生干涉条纹。布儒斯特体视镜（Brewster steres cope）：用于观察一对体视图，布氏用两片 兼有棱镜作用的透镜，图片间的距离虽然比瞳距大，但可以放下，同时透镜可以 使眼睛不必调适，减少疲劳。图片小时，透镜则不必带棱镜作用。以上即为布儒斯特角相关定义及有关用途的定

24、义。2.4 布儒斯特角的计算和测量如何求布儒斯特角及准确的对其进行测曷是本科阶段我们要做的一个重要课题。下面简 要分析一下。我们知道只有使反射光或折射光中的某一分是为0才能使我们得到的反射光或折射光 为平面波。只有当i+i2=3时，两分量强度之比为()。在这种情况下，反射光只包含s分量，为线偏振光，如图1所示。图1由折射定律可知，此时必有：勺sin)=n2 sin(90-) = n2 cos( )即：综=arctan(生),此即布儒斯特角.目前高校实验中多利用分光计实验装置，在望远镜前增加一偏振片，稍做改动, 即可观察光在各向同性介质分界面上反射和折射时的偏振现象，又可以既简单又 精确地测量布

25、儒斯特角，并验证布儒斯特定律。所测实验结果与其他精实验所得 结果相当吻合，其相对百分误差不足0. 4%。实验中用钠光灯作光源测量三棱镜 的布儒斯特角，原理图如图2所示。7Ko次数0102orH2'Oi1287° 23'107° 24'220° 18'40°19'67° 5'2287° 28'107° 29'220° 18'40°19'67°10'3287° 19'107° 20&#

26、39;220° 19'40°20'67° O'4287° 22'107° 23'220° 18'40°19'67° 4'3287° 18'107° 19'220° 1740°67° 1'18'计算结杲如下：1°=_幽+冬+q+a+4)=6744=1(180 -) = 56 28但是，由于光强带来的不足和传统设备光强受实验环境干扰严重，测量精度受 到一定限制。CC

27、D是一种新型的光电转换器件，具有较好的光电转换特性，可以得 到由光的反射和衍射得到的直观的光强曲线,因此也可被应用到精确测量布儒斯 特角中。其原理图如图3所示，这里不做展开。激光器偏振 片P2、偏振片P1带孔的屏布儒斯特装置图3布儒斯特角测定的仪器图三、光的偏振现象3.1 偏振光及其相关概念的定义由普通光源所发射的光波，在光的传播方向上的任意一个场点，电矢量既有 空间分布的均匀性，又有时间分布的均匀性。也就是在轴对称的各个方向上电矢 的时间平均值是相等的，具有这种特点的光称为自然光。偏振光是指光矢量的 振动方向不变或具有某种规则变化的光波。光的电磁理论指出，光是电磁波，光 的振动矢量E与光的传

28、播方向垂直，但是，在垂直于光的传播方向平面内，光 矢量E还可能有各种不同的振动状态。我们把光的振动方向和传播方向组成的 平面称为振动面。光的振动方向在振动面内具有不对称性，这叫做偏振，偏振光 是光矢量不均匀分布造成的。3.2 偏振光的分类在这里，我们首先将偏振光分为均匀偏振光与非均匀偏振光两类。对于均匀 偏振光，我们有根据光波电矢量的端点在波面内描绘的轨迹的形状，来划分偏振 光的种类。会偏振光：光矢量的振动方向在传播过程中保持不 ,变，只是它的大小随位相在改变“均匀偏振光 圆偏振光：光矢量端点轨迹是一个圆|椭圆偏振光：光矢量的端点轨迹是一个椭圆偏振光j非均匀偏振光：非均匀偏振光的偏振态比较复杂

29、，例如径向偏振光是 电矢量振动方向在光束横截面上具有轴对称性、始终沿着径向的一种偏振光。其电场数学表达式为:3.3 偏振光的产生自然光不能直接显示偏振现象，也就是说偏振光不能从光源直接获得，从自 然光获得偏振光的方法，归纳起来有四种:(1)利用反射和折射通过反射和折射产生偏振光的光蹈图利用上图中的方法，可以获得反射偏振光和折射偏振光。其中反射光 和折射光都是部分偏振光，他们各自形成偏振光的特点是：垂直（平行）于入射 面的振动大于平行（垂直）于入射面的振动。（2）利用二向色性：二向色性本来是指某些各项异性的晶体对不同振动方 向的偏振光有不同的吸收系数的性质。在天然晶体中，电气石具有强烈的二向色

30、性。1mm厚的电气石可以把一个方向振动的光全部吸收掉，使透射光成为振动 方向与该方向垂直的线偏振光。（3）利用晶体的双折射：当一束单色光在各向异性晶体的界面折射时，一 般可以产生两束折射光，这种现象叫做双折射。两束折射光分别为寻常光（。光） 和非常光（C光）。如果用检偏器来检验。光和C光的偏振状态，就会发现。光和 C光都是线偏振光。（4）利用散射：当用自然光入射时，散射光有一定程度的偏振（偏振程度 与e角有关）。在与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，散射光仍为自然光；而在其他方向上，散射光为部分偏振光。四、布儒斯特角的光学应用4.1 布儒斯特角光学应用的广泛性及分类在

31、许多光学设备中，都应用布儒斯特定律来制作偏振镜来做滤光设得。比如 偏振墨镜使用了布儒斯特角的原理来减少从水面或者路面反射的偏振光。摄影师 利用相同的原理来减少水面、玻璃或者其他非金属反射的太阳光。实验室中，我 们也有玻璃堆，布儒斯特镜等常见设备,利用其获得激光及我们实验所需的屏幕偏 振光，可见其应用的广泛性。布儒斯特定律在生活中的应用有很多，并且具有很强的实用价值和可操作性, 所以我们在了解研究布儒斯特角时，要对其应用进行合理的分类，本文中，我们 将其应用分为四大类，即布儒斯特角在生产生活中的应用、在科学研究中的应用、 在高校教学中的应用以及其他应用。对于每类应用，我们会举出相应的实例，并 为

32、大家大略的解释其中的原理。4.2 布儒斯特角在生产生活中的应用4.2.1 利用布儒斯特角使人们可以观看立体电影立体电影的拍摄是基于两个摄影机的。在拍摄立体电影是，用两台同步摄影 机，调整好他们之间的距离，使那两部摄影机的拍摄角度刚好与双眼观看物体的 角度一致、这样获得的两部电影拷贝，记录的是同一个景物，而且从左右两个不 同方位拍摄下来的“左拷贝”和“右拷贝二在放映室，也采用下图所示的两部 同步放映机，荧幕上同时映出两个画面，但是在两台放映机镜头前各放置一枚根 据布儒斯特定律利用布儒斯特角制成的人造偏振片，他们的透振方向相互正交。 例如在放映右拷贝的机器前，放置一块透振方向水平的偏振片，左拷贝放

33、映机前 的偏振片的透振方向则是竖直的。显而易见，银幕上的两个画面是分别用透振方 向相互垂直的平面偏振光放映出来的。而观察者为了形成立体视觉，必须使他们 的双眼各自接受一个图像，即左眼接受左拷贝的画面，有眼接受右拷贝的画面， 而且左右互不想干扰，要实现这一点，根据布儒斯特定律，运用布儒斯特角偏振 片的检偏作用，即观察者戴上有人造偏振片制成的偏光眼镜，偏光眼镜的左镜片 透振方向是竖直的，右镜片的透振方向是水平的，这样，观察音的双眼分别接收 到来自左右拷贝的两个图像，这两个图像和直接观察立体景物的两个图像没有什 么区别，由两眼感觉的合成效应，得到立体感的图像。值得指出的是，如果你卸下眼镜，银幕上并没

34、有立体景物，看到的却是两幅左右稍许错开的、略微差异的 平面图片。上面介绍立体电影的原理时，提到的双机同步摄影、双机同步放映以及双拷 贝却是是在早期的立体电影中采用过的。现在，由于配用了必要的光学附件，使 摄影机放映的器材有了较大的进展。例如采用了单机、双镜头、单片摄影和单机、 单镜头、单片放映。还有一个十分重要的问题立体电影的银幕，需要简单的做一交代。如果将平面偏振光透射的画面放映在普通银幕，观察者很难获得立体感觉的 效果，这是由于银幕的退偏振作用的缘故，为了克服这一困难，立体电影的银幕 是特制的，它在普通银幕上喷绘了一层俗称银化粉的材料，其实它的主要成分是 铝粉和漆。铝粉的粒度要求甚高，经金

35、属粒亍的散射以防止退偏振的产生，这种 银幕称非退偏振的银幕。4.2.2 利用布儒斯特角制作可以防强光的偏振玻璃为了出行快捷方便或是为了节省时间，现在有很多司机师傅选择在夜间出 行。近期夜间交通事故频发，经统计，事故原因大多汽车在夜晚行驶时，车前灯 发射出来的强烈光线会使对面汽车的司机因为太刺眼而睁不开眼睛，看不清道路 状况，无法第一时间作出正确反映而酿成悲剧。这对司机师傅夜间行车造成的严 重的不良影响。面对这个问题，我们可以根据布儒斯特定律，利用布儒斯特角制 成可以防强光的偏振玻璃，在普通车用玻璃上镀一层布儒斯特偏振膜，这样从车 前玻璃发出的光就成为了偏振光。如果玻璃的偏振玻璃方向恰好与灯光振

36、动方向 垂直，司机在看清自己车灯所照物体的同时，也能避免对面汽车的强光刺激，这 样在夜晚行车就更加安全、有保障了。同样，在春夏两季，白天日照往往十分强烈，马路上以及周边的楼层玻璃、 广告牌等会对太阳光线有强烈的反射,这些反射光线经常会对在驾车过程中的司 机师傅做成不良的干扰，存在着巨大的安全隐患。但是，因为光是横波，所以这 些给司机造成干扰的散射光基本是在水平方向振动，这样，根据布儒斯特定律， 利用布儒斯特角，我们制造出能够有效抵挡散射光线的偏振太阳镜，司机师傅可 以购买并在出行时佩戴，这样，可以保障我们安全出行。4.2.3 利用布儒斯特角制作液晶显示器液晶于1888年由奥地利植物学家莱尼采尔

37、发现。第二年德国物理学家莱曼 用偏光显微镜观察这种粘稠浑浊的液体时，发现存在双折射现象。于是他把这种 具有光学各向异性、流动性的液体成为液晶。液晶可以分为向列型，旦留型和近 晶型三种。它有许多独特的光学性质。有热光、电光和磁光等效应。另外，在许 多生物组织中也存在液晶，如蛋白质、红血球、脂类、神经组织等都具有液晶结 构。对液晶施加电场会引起液晶分子轴重新排列，因而产生各种形式的电光效 应，这是液晶获得广泛应用的原因。下面我们简单讨论一下电控双折射效应。如下图所示，将一个分亍轴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之间。未施加电场时，入射到液晶中的线偏振光的偏振方向不受液晶 分

38、子的任何影响，因而不能透过检偏器P2,液晶盒是不透明的。当在液晶盒的 两极之间施加超过阀值的电场时，理论证明N型液晶为保持内能最小，其分子 轴将力图转向与电场垂直的方向；而且液晶盒两基片经用物理化学方法预处理 后，可以使分子轴在与Pl、P2的透光轴都成45°角的平面内转到与电场成倾角 。的方向，。的大小依赖于电场。当线偏振光射入液晶后，分解成 光和。光，Q 光折射率为明。根据得C光折射率sin2 0 cos2 0；-cos- ° sin2 0设液晶的厚度为d,则。光和e光通过液晶盒后的相位差为因此透过检偏器的光强为由于"，通过。依赖于电场，因而系统输出光强也依赖于

39、加在液晶盒上的电压。当电压为零时，0 = 0,1=0；当电压增加到6 =乃的，1有极大值。利用上述效应，可以制作液晶开关或液晶显示器。此外，系统输出光强还依 赖于波长。因而当用白光入射时，透射光呈现一定的颜色，这与晶体的干涉色类 似。液晶显示器是一种光偏振调制的资讯显示器件。它的主要构造是以经过配 向处理的两片玻璃板之间灌入液晶分子，其中的透明电极则用来外加电场以驱使 液晶的排列产生变化，并使得液晶层的光电特性发生变化，进而产生光的调制作 用。在上下玻璃板基板外侧各加上一片偏振片以解调输出光强度。这两个偏振片 的穿透轴方向则依液晶分子排列与操作模态而定。当白光光源所射出的光通过液 晶显示器的入

40、射偏振片后，此自然光即被转换为线偏振光，在未施加外来电场于 液晶胞的情形下，入射偏振光会顺着液晶分亍的排列旋转前进，在正常黑的操作 模式时，由于偏振光被出射偏振片阻挡而吸收，因而显示器画面输出暗的状态； 相反地，若施加电压时，液晶分亍倾向平行于施加电场的方向，因此，当液晶分 于受此外加电场而垂直于玻璃基板表面，则线偏振光将直接通过液晶胞到达出射 偏振片。由于入射偏振光的偏振状态不受此液晶分亍的影响，并保持与出射偏振 片穿透轴方向一致，因而，能通过出射偏振片形成亮的状态。因此，利用适当驱 动电压即可得到明暗对比显示的效杲。液晶显示器具有低压微功耗、平板显示结构、被动显示形式、高清晰度、 大信息量

41、、易于彩色化、无电磁辐射以及长寿命等显著优点，因此被广泛用于电 子手表、计算器、仪器仪表、电视以及大屏幕广告等方面。4.3 布儒斯特角在科学研究中的应用4.3.1 布儒斯特角显微镜上世纪九十年代，首台布儒斯特角显微镜(BAM)就已经问世并一步步在 研究薄膜的单层相微区和有序现象、LB膜均匀性等方面被科学家们广泛应用。 通常情况下，大型光学布儒斯特角显微镜和部分台式布儒斯特显微镜均带有偏光 装置等附件，可同时进行明视场、暗视场、偏光等观察。显微镜的偏光装置就是 在入射光路和观察镜筒内各加入一个布儒斯特角偏光镜而构成。称前一个偏光镜 为“起偏镜”，作用是把来自光源的自然光变成线偏振光；称后一个偏光

42、镜为“检 偏镜”，其作用是分辨被线偏振光照射于金属磨面后出射光的偏振状态。用以观 察不同物质时，可以看到不同的颜色。与普通光学显微镜相比，偏光显微镜除增 加了两个附件一起偏镜和检偏镜外，尚要求载物台沿显微镜的机械中心在水平面 内可做360°旋转。为读出角度变化，载物台上标有角度刻度。偏振光显微镜 通常用来检测生物体内某些有序结构、镜体的存在及其折射光学性质同时也可用 来检测某些组织中的化学成分。比如科学家用德国Naiiofilm公司产的MiniBAM 型布儒斯特角显微镜原位观测压膜过程中花生酸单分子层表面形貌的动态变化 时布儒斯特角显微镜可以较好地观测单分子膜的均匀性与缺陷，是研究单

43、分子薄 膜形成过程及其机理分析的有效手段之一。布儒斯特角显微镜在矿物学、化学、金相学和医药等方面的应用也已日益重 要起来。4.3.2 光弹性方法为实验应力分析提供方便塑料、玻璃等非晶体在通常情况下是各向同性的，不产生双折射现象。但当 她们处于应力场中时，就会变成各向异性而显示出双折射性质，撤去外力后其内 部无应力，双折射效应随之消失。这种现象被称为光弹性效应。用人工双折射材料制成构件模型，加热模型并施加外力，冷却后去除外力， 则双折射材料模型中保持施力时的应力，将模型裁成薄片，将模型薄片置于起偏 器与检偏器室之间，两束光经厚度为d的形变介质层后又射至检偏器，根据布 儒斯特定律，利用布儒斯特角偏

44、振片，使这时的两束光都成为振动方向平行于偏 振器起振方向的线偏振光，因而能够通过检偏器。由于它们频率相同，有固定的 相位差，振动方向有相同，因而能产生干涉，应力分布决定了干涉条纹的分布情 况：应力集中处的干涉条纹紧密；应力分散处的干涉条纹稀疏，所以从干涉条纹 的分布可以分析应力分布的请款。如果应力分布相当复杂，那就会呈现五彩缤纷 的复杂图案。利用这个方法可以研究介质应力的分布。例如，玻璃在制造过程中，由于冷 却不均匀使内部受到不同程度的应力，常常会自行破裂。把玻璃放在两块布儒斯 特角偏振片之间观察应力引起的双折射现象，就可以检查出内部应力的分布情 况。为了消除光学玻璃的内部应力，在磨制光学元件

45、（例如天文望远镜的镜头等） 之前，必须进行缓冷处理和偏振光检查。利用这个方法，还可以制成光测弹性仪用再制造业中。例如为了设计一个机 械零件、桥梁或水坝，可用透明塑料板模拟它的形状，并根据该零件在实际工作 中的受力情况按比例的加上它所受的力，然后用光测弹性仪就可显示出其中的应力分布情况。这种方法目前已发展成为一个专门的学科光测弹性学，它为工 程设计解决了及其复杂的应力分析问题。432布儒斯特角反射显影技术布儒斯特角反射显影术是基于布儒斯特定律，利用布儒斯特角的现广泛应用 于对单层分子膜相变形态学的研究的一项新的光学技术。很多年来，人们常用荧光显影术来研究单分亍膜相变形态学。但这种方法有 着显而易

46、见的缺点，因为荧光物质就好比是渗入膜分子中的杂质，这些“杂质”对 分子膜的成份和结构会有所改变，并对所测结杲的准确性有不良影响。布儒斯特角反射显影技术最在上世纪九十年代被人们所发现并应用,利用这 种技术可以有效解决上述问题技术原理为:光在两种透明介质界面的反射，可分 为平行于入射面的偏振光P和垂直于入射面的偏振光:，它们的反射比分别为：Ep吆sing- ' E、 sinCz, +z2）其中，；为入射角，i2为折射角，由上述两式知，0 ；而。则不然，当% +/2=y,即2时，9=0,这时反射光仅为垂直偏振光，ip称为布儒斯特角。 n如下图所示，平面偏振光沿布儒斯特角入射到空气与水的界面，

47、几乎没有反 射，仅有的一点是由于液面波动导致的非理想界面的基础反射（反射比为W）o如在 界面上有一层分子膜，可视为异于空气、水且折射率为n的第三种光学介质。光 在形成的界面多次反射、折射、叠加，会出现一个新的反射比Ro总的来说,R在 布儒斯特角是最小的，但它不为零，而且随界面的分子膜性质变化很大。水或其它常M布儒斯特角反射实验光路图应用实例：通过运用此技术，我们可以观察到，脂酸分子膜中，分子碳链有 一致的倾斜方向，在光学上表现出各相异性；不同区域因其倾斜方向不同，有不 同的光轴，因而反射光偏振方向会偏离入射面。在相机前置一偏振器（上图中虚 线），可观察到这种现象。布儒斯特角反射比（R）对单分子

48、膜的灵敏度极佳,同时此技术不需要介入其它 物质,与其他技术相比较，此方法既已操作又较为精确，同时可以展现出分子膜有 关形态的许多新内容，是研究单分子膜性质的一种十分有效的现代光学技术。4.4 布儒斯特角在高校教学中的应用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：自然光经过某一介质材料表面以布儒斯特角入射 时，反射光成为线偏振光，其振动方向垂直于入射面。根据这一原理，可以利用玻 璃片来获得线偏振光。光线自空气射向折射率为1.5的玻璃时,布儒斯特角为56.3 度。这里，我们要指出，当自然光按起偏振角入射时，在经过一次反射、折射后, 反射光虽然是完全偏振光，但光强很弱，对于单独一个玻

49、璃来说，垂直于入射面 的振动的光能只被反射一小部分（约15%）;因此折射光影视部分偏振光，它占 有入射光中的平行于入射面的振动的全部光能和垂直于入射面的振动的大部分 光能。为了增强反射光的强度和折射光的偏振化程度，可以把这些具有平行平面 的玻璃片叠起来，成为平行平面玻璃片堆。当自然光通过玻璃片堆时，如下图所 示，入射光在各层玻璃面上经过多次的反射和折射，使得反射光的垂直于入射面 的振动成分得到加强；同时折射光的偏振化程度逐渐增加。玻璃片数越多，透射 光的偏振化程度越高。当玻璃片足够多时，最后透射出来的折射光就接近于完全 偏振光，其振动面就在折射面内，与反射全偏振光的振动面相互垂直。4.4.2

50、布儒斯特窗布儒斯特窗：实验室中的光学实验常用到激光作为光源，为了提高激光的输 出功率，在激光器中也采用了布儒斯特角的装置布儒斯特窗。如下图所示的 是一种外腔式气体激光器。在激光器的两端装有布儒斯特窗当光在两镜面M 间来回反射并以布儒斯特角乙射到窗B上时，平行于入射面振动的光不发生反射 而完全透过，而垂直于入射面振动的光则陆续被反射掉，以致不能发生振荡。这 样，最后就只有平行于入射面振动的光能在激光器内发生振荡而形成激光。4.4.3 布儒斯特角法测量金属薄膜折射率最近一段时间。光学工程、凝聚态物理学、生化技术等教学工作中对薄膜技 术的运用逐渐增加。如何合理准确的应用薄膜技术是目前学者们面临的一个重要 课题，然而能否准确的测量薄膜的各个常量就显得尤为重要了。高校中，我们常 常用光谱法、椭圆偏振法等测量光学薄膜各个参量。然而，应运这些测量方法往 往要用到造价很高的精密仪器，很多高校承担不起这样的教学成本。现在，在测 最精度要求不高的情况下。我们根据布儒斯特定律，利用布儒斯特角法进行测量, 这种测量