[科普中国]-S偏振光

背景

布鲁斯特角（也称为偏振角）是具有特定偏振的光通过透明电介质表面完全透射而没有反射的入射角。 因此当非偏振光以该角度入射时，从表面反射的光是完全极化的。 这种特殊的角度以苏格兰物理学家布鲁斯特爵士（1781-1868）命名。

解释当光线以非垂直角度穿透光学元件（如分光镜）的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义的。如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p-偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s-偏振。任何一种输入偏振状态都可以表示为s和p分量的矢量和。

当光线遇到具有不同折射率的两种介质之间的边界时，其中一些通常如下图所示。反射由菲涅耳方程描述，并且取决于入射光的极化和入射角。1

菲涅尔方程式预测，如果入射角为下式，则p-偏振光（在与入射光线相同的平面中极化的电场和表面法线）将不会被反射：

其中n1是光传播入射介质的折射率，n2是其他介质的折射率。 这个方程被称为布鲁斯特定律，由它定义的角度是布鲁斯特角。

这种物理机制可以从介质中的电偶极子对p-偏振光的响应的方式定性地了解。 可以想象，入射在表面的光被吸收，然后通过在两个介质之间的界面处振荡电偶极子再次辐射。 自由传播光的偏振总是垂直于光线行进的方向。 产生透射（折射）光的偶极子在该光的偏振方向上振荡。 这些相同的振荡偶极子也产生反射光。 然而，偶极子不会在偶极矩的方向上辐射任何能量。 如果折射光被p-偏振并且正好垂直于预测光被镜面反射的方向传播，则偶极子沿着镜面反射方向指向，因此不能反射光。 （见右图）

用简单的几何关系，这个条件可以表示为：

其中θ1是反射角（或入射角），θ2是折射角。

使用斯奈尔定律，

可以计算没有反射光的入射角θ1=θB：

解得θB：

对于空气中的玻璃介质（n2≈1.5）（n1≈1），可见光的布鲁斯特角度约为56°，而对于空气-水界面（n2≈1.33），布鲁斯特角约为53°。由于给定介质的折射率根据光的波长而变化，因此布鲁斯特角度也将随波长而变化。

Étienne-Louis Malus在1808年首先观察到光以特定角度从表面反射而被偏振的现象。他试图将偏光角度与材料的折射率相关联，但是由于当时的眼镜质量不一致而导致试验失败。在1815年，布鲁斯特实验了更高质量的材料，并表明这个角度是折射率的函数，定义了布鲁斯特定律。

布鲁斯特角通常被称为“偏振角”，因为从该表面以该角度反射的光完全偏离入射平面（“s极化”）。因此，可以将玻璃板或以布鲁斯特角度放置在光束中的一叠平板作为偏振器。偏振角的概念可以扩展到布鲁斯特波数的概念，以涵盖两个线性双分散材料之间的平面界面。在布鲁斯特角度反射的情况下，反射和折射的光线相互垂直。

对于磁性材料，布鲁斯特角只能通过介电常数和磁导率的相对强度来确定入射波极化之一。这对于介电分界面的广义布鲁斯特角的存在有影响。2

应用偏光太阳镜采用布鲁斯特角度的原理，以减少从水面或道路等水平面反射的太阳光的眩光。 在布鲁斯特角附近的大范围的角度，p-偏振光的反射低于s-偏振光。 因此，如果太阳在天空很低，反射光主要是s极化的。 极化太阳镜使用偏光材料如偏光片来阻挡水平偏振光，优先阻挡水平表面的反射。 效果最强，水面光滑，但道路和地面的反射也减少。

摄影师使用相同的原理去除水中的反射，以便他们可以拍摄表面下的物体。 在这种情况下，偏振滤镜相机附件可以旋转到正确的角度。

拍摄的照片带有相机偏光镜滤镜旋转到两个不同的角度。 在左侧的图像中，偏振器与窗口反射的偏振角对准。 偏振器已旋转90°，消除了极度偏振的反射太阳光（如上图）。

当记录全息图时，光通常以布鲁斯特角度入射。 因为入射光是p偏振的，所以它不会从全息膜的透明背面反射回来。 这样可以避免全息图中不必要的干涉效应。

布鲁斯特角棱镜用于激光物理学。 偏振激光以布鲁斯特角进入棱镜，没有任何反射损失。

在表面科学中，布鲁斯特角度显微镜用于空气 - 液体界面处的颗粒或分子的成像层。 通过使用针对布鲁斯特角度的激光瞄准界面，纯液体在图像中显得黑色，而分子层发出可以用相机检测和呈现的反射。3

伪布鲁斯特角当反射面吸收时，平行极化（p）的反射率在所谓的伪布鲁斯特角处经过非零最小值。