浅谈布儒斯特角及其光学应用

山东建筑大学理学院科技论文
题目:布儒斯特角及其光学应用
专业:应用物理学
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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
1前言
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和磁矢量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θb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镀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,在电子手表、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。

2内容
2.1 布儒斯特角光学应用的广泛性及分类
在许多光学设备中,都应用布儒斯特定律来制作偏振镜来做滤光设备。

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,并为大家大略的解释其中的原理。

2.2 布儒斯特角在生产生活中的应用
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”。

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,观察者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,经金属粒子的散射以防止退偏振的产生,这种银幕称非退偏振的银幕。

3结语
论文的写作是一个不断积累知识的过程,也是一个不断成长的过程。

从最初刚写论文时对论文题目问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识,我体会到广泛阅读对于学习的重要性,以前对问题只是模糊的印象,没有经过深刻具体了解,对知识的理解不够明确,通过这次的论文,真正探究理解了布儒斯特定律的深刻内涵及布儒斯特角的广泛应用。

通过毕业论文的磨练,我深刻体会到要做好一个完整的事情,需要有系统的思维方式和方法,对待要解决的问题,要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。

同时我也深刻的认识到,在对待一个新事物时,一定要从整体考虑,完成一步之后再作下一步,这样才能更加有效。

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。

在老师的指导下,对布儒斯特定律及布儒斯特角的研究和探索取得了更大的进步。

在论文撰写过程中常常感到有困难,导师给予了我很大的帮助,从题目的选定到论文写作的过程,导师的悉心指导,使我豁然开朗,获益匪浅。

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