马吕斯定律：揭秘光的偏振与强度变化
马吕斯定律：揭秘光的偏振与强度变化
光的偏振现象是光学中的一个重要概念，而马吕斯定律则是描述偏振光强度变化的核心定律。本文将从基础概念出发，深入探讨马吕斯定律的理论依据、实验验证及其在日常生活中的实际应用，帮助读者全面理解这一光学原理。
一、光的偏振 ：基础概念
在自然光中，光波的振动方向是随机的，没有特定的方向性。然而，当光波的振动被限制在一个平面内时，我们就说这束光是偏振的。根据光的偏振特性，可以将光波分为线偏振光、部分偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光。偏振光的行为，可以通过马吕斯定律来描述。
图1 自然光及光的偏振态
二、马吕斯定律：光的偏振与强度的关系
马吕斯指出：强度为I0的线偏振光，透过检偏片后，透射光的强度（不考虑吸收）为 I2=I1cosαcosα。其中，α是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角。当α=0°或180°时，I2=I1 ，透射光最强。当α=90°或270°时，I=0，透射光强为零。当α取其他值时，光强介于0和I1之间。
要想理解马吕斯定律，我们可以观察一下横波通过狭缝（狭缝代表横波的通过方向，即偏振化方向）时具有什么特征。当狭缝的通过方向（偏振化方向）与横波的振动方向一致时，横波可以无阻碍的穿过狭缝进行传播；当偏振化方向与横波的振动方向垂直时，横波无法通过；当横波振动方向与偏振化方向成角度α时，只有振动的α角余弦分量可以通过。
图2 横波（机械波）穿过狭缝实验装置
三、马吕斯定律的实验验证
当自然光入射时，自然光透过起偏器后成为沿竖直方向的线偏振光，且起偏器只允许自然光沿竖直方向的分量通过，因此可以得出， I1=I0/2。
当线偏振光入射时，假设检偏器的偏振化方向夹角为α，线偏振光的振幅为A0，而检偏器只允许它沿偏振化方向的分量通过，所以从检偏器透出的光的振幅 A1=A0cosα 。由于探测器检测到的是光强，而由光的波粒二象性可知，光强与振幅的平方成正比（I∝A2），因此透过检偏器的光强I2与原光强I1及偏振器角度α之间的关系可以表示为：i2=I1cosα*cosα 。
图3 起偏与检偏实验装置（偏振片红色箭头代表偏振化方向）
图4 光在通过偏振片时的光强变化
四、马吕斯定律的应用
马吕斯定律在多个领域有着广泛的应用：
偏光太阳镜：马吕斯定律应用于制造偏光太阳镜，这种太阳镜可以减少来自水平表面的眩光，比如水面或雪地反射的光线，提高视觉清晰度。通过调整偏振片的角度，可以控制透过的光强，减少眩光。
摄影中的偏振滤光片：在摄影中，偏振滤光片被用来减少或消除反光，增强天空和云彩的对比度和饱和度。通过旋转偏振滤光片，可以改变透过的光强，从而控制照片中的反光和对比度。
图4 无偏振片拍摄（左）；有偏振片拍摄（右）
- 液晶显示技术（LCD）：LCD屏幕的工作原理涉及到控制通过屏幕的光强度，这正是基于马吕斯定律的应用，通过改变液晶分子的排列来控制光的透过率。