旋光效应_学士毕业论文(编辑修改稿)

旋光效应_学士毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

行偏振光的调制，该物质出射的偏振光的琼斯矩阵随之发生变化，由此可以计算出物质的偏转特性，这就是利用偏振光进行测量的基本原理。 （ 3）斯托克斯矢量法： Stokes（斯托克斯）于 1852 年率先提出采用四个光强平均值 10 的参量来描述光波的强度和偏振态，这四个参量组成的四维矢量称之为斯托克斯矢量 [12]，其定义如下： 令光分别通过下 述四块滤色片 1F ， 2F ， 3F ， 4F ， 测出通过滤色片后的光强 1I ， 2I ， 3I ， 4I 则斯托克斯参量为 14131222222222IISIICIIMII （ 23） 四滤色片功能为：每块对自然光的透过率均为 ；每块滤色片都垂直于入射光； 1F 是各向同性，对任何入射光作用相同； 2F 的透光轴沿 x 轴； 3F 的透光轴与 x 轴夹角 45176。 ； 4F 对左旋圆偏振光不透明。 可见斯托克斯的四个参量均可测，斯托克斯矢量表示为： 或  SCMI （ 4）邦加球法： 邦加球是 1982 年由邦加提出来表示任一偏振态的图示法，如图 所示，球面上的一点表示一个偏振态，该点可用球面上的经纬度表示。 图中：赤道上（ε = 0）任一点代表不同振动方向的线偏振光；球的北极（ε =π）表示右旋圆偏振，南极南极（ ε = −π / 4）表示左旋圆偏振；表示左旋圆偏振；球上的其他点表示椭圆偏振形式。 在偏振光学中，三角函数法相对简单，只能应用与单个光学器件的描述，琼斯矢量与光矢量的振幅和相位有关，主要应用于测量器件对完全偏振光的传输计算；斯托克斯矢量与光强成正比，主要应用 与计算部分偏振光的偏振程度。 11 由上一节可知，琼斯矩阵更适合本文的研究，因此我们采用琼斯矩阵来描述任意偏振器件 [6] 偏振光 1E 通过一个偏振器件后，由于受到偏振器件的影响，其偏振态变为 2E ， 1E 与 2E 的变换光学可以用一个 2 2 的矩阵 G 表示： 12 GEE  该 2 2 的矩阵 G 称之为此偏振器件的琼斯矩阵或传输矩阵，其表征了偏振器件对偏振光传播的变化特性。 设透过偏振器件前后的偏振光分别为  111 BAE 与  222 BAE ， 12 GEE  ， 其中 G 为偏振器件的琼斯矩阵，偏振器件光轴与 x 轴成θ 角，快慢轴在的光因传播速度不同引起的相位差为δ ， 由坐标变换得 ：      c o ss i n s i nc o s1111 BAA BAA （ 24）     ieAAAA （ 25）      c o ss i n s i nc o s22 AAB AAA （ 26） 联立（ 24）、（ 25）、（ 26）得：    211122 c o ss i n s i nc o s0 01c o ss i n s i nc o s BAGBAeBA i     （ 27） 12 该偏振器件的琼斯矩阵 G 为 :     iiiiee eeG 2222c o ss i nc o ss i nc o ss i n c o ss i nc o ss i ns i nc o s （ 28） 表 列出了几种常用偏振器件的琼斯矩阵。 偏振光的旋光效应 当一束线偏振光光透过某种透明介质后，出射 光的振动面相对入射光的振动面旋转了一定角度，这种现象即是旋光效应。 常见的旋光效应是自然旋光效应，介质在没有任何外界作用下能产生旋光现象。 除了自然旋光外，一些不能自然旋光的物质在电场、磁场、应力等外界因素的影响下，也能使透过它的偏振光发生偏振角度旋转，这样的旋光效应有：磁致旋光效应、克尔电光效应、光弹效应等。 图 旋光现象实验 自然旋光效应中介质在自然 环境下能使偏振光振动方向发生旋转，这种介质称为旋光物质。 石英晶体以及食糖溶液、酒石酸溶液等都是具有较强旋光性的旋光物质。 物质自然旋光性的实验研究如图 所示。 图中， S 为光源， M、 N 为偏振方向相互正交的两偏振片， C 为旋光物质， P 为接收屏。 光源出射的光经偏 13 振片 M 后变为一束线偏振光，然后通过另一偏振片 N 被接受屏 P 接收，此时屏是黑暗的；将旋光物质放在两偏振片 M、 N 之间，原理黑暗的屏变亮，再将偏振片 N 旋转一定角度θ后，屏又变为黑暗 ,该旋转角度θ即为偏振光通过旋光物质后振动方向旋转的角度 应用上述实验方法，改变不同的材料特性，如旋光物质长度、旋光率等，研究旋光现象的影响因素。 实验结果得出： （ 1）旋光物质的旋光率直接影响偏振光经过此物质后振动方向的旋转角度。 保证实验其他条件不变，换相同长度不同旋光率的物质。 偏振光经旋光物质后振动方向的旋转角θ与该旋光物质的旋光率成正比。 （ 2）保证其他条件不变，旋光角度与旋光物质的长度成正比。 综上所述，旋光角度θ的大小可以表示为： L 式中， ρ 为旋光物质的旋光率即 旋光系数； L 为旋光物质的长度 法拉第于 1845 年做了以下实验，如图 所示。 光源 S 发出的光经起偏器 P1 后变成一束线偏振光，线偏振光沿着磁场方向图 法拉第旋光实验 穿过螺线管中的磁致旋光物质，再经检偏器 P2 后入射到接收屏，两偏振器 P P2 正交。 当线圈两端没有加电压即线圈不能感应出磁场时，接收屏上无光照，这表明偏振方向没有发生旋转；对线圈两端加一定电压即线圈两端感应出磁场，此时接收屏上有光照，将检偏器 P2 旋转一定角度θ后接收屏上再次无光照，这表 14 明偏振方向旋转了角 度θ。 这种在磁场作用下的旋光效应称之为磁致旋光效应或法拉第旋光效应 [1]。 调节上述实验中的磁场大小 B 和磁致旋光物质长度 L，可以得到如下规律： （ 1） 保持磁致旋光物质材料不变，偏振光的旋光角度θ与磁致旋光物质的长度 L 以及物质所处的磁场强度 B 成正比，用公式表达 为： VLB （ 29） 式中 ,V 表示磁致旋光物质的费尔德常数。 （ 2） 磁致旋光效应中的旋光方向与光的传播方 向无关，只与磁场的方向有关。 由于磁致旋光效应有以上规律，因此人们广泛的将它应用于电流及电磁场的测量上。 法拉第磁光效应的本质是由于某些物质在外磁场作用下，物质对光的折射率发生改变从而导致了偏振光振动方向旋转。 所有材料都显示或强或弱的磁光效应，在铁磁材料中磁光效应最强，在抗磁材料中磁光效应最弱。 图 克尔电光效应是指当外加电场作用下各向同性的物质光学性质发生改变，变成具有双折射现象的各向异性物质，从而使原来 不 旋光的物质变为旋光物质，如图 所示。 图中， S 为单色光 源，L L2 为聚光镜， M 为盛有液体的平行板电极克尔盒， P P2为相互正交的偏振片。 当克尔盒两极不加电场时，没有光从 P2透出；当两极加以大小合适的电场时，有光从 P2 透出，这表明此时 偏 15 光的偏振角发生了旋转。 光弹效应是指不具有旋光特性的各向同性物质在外加应力作用下变成具有旋光特性的各向异性物质，如图 所示。 图中， L 为单色光源， M 为应力材料， P P2 为相互正交的偏振片。 当应力材料上不加应力作用时，没有光从 P2透出；当材 图 料上加以大小合适的应力作用 时，有光从 P2 透出，这表明此时偏振光的偏振角发生了旋转。 旋光色散理论 有些晶体的旋光性质有左旋和右旋之分。 旋转的方向一般是这样确定的 :迎着从旋光晶体出射的光看去 ,线偏振光振动面在晶体中是顺时针转动的 ,称为右旋。 逆时针转的称为左旋。 其旋光系数分别用 α+和 α表示 ,对于同一晶体 ,其左、右旋转的值相同 [3]。 当光传播方向改变时 ,晶体的左旋或右旋的性质不变 ,因此 ,如果通过晶体的偏振光从镜面上反射后再通过同一晶体 ,则振动面就恢复到原来的方向。 对各向异性晶体 ,旋光系数 α 是光传播方向与晶体光轴夹角的函数。 但对大多数晶体 ,偏离光轴的旋光性已被双折射性所掩盖 ,所以对于晶体一般是指沿光轴方向的旋光系数。 对于不同波长的光在同一旋光物质中其旋光率不同 ,这种现象称为旋光色散。 本实验选用的旋光介质为石英晶体 ,由于石英晶体 16 在不同入射波长下的旋光率不同 ,而且没有计算公式。 所以 ,我们需要在所测值范围附近选择多点进行测量 ,用结果拟合出一条曲线 ,作为入射波长与旋光率的关系曲线。 当再次测量入射光时 ,可以通过所测旋光角度 ,反推出入射波长。