旋光現(xiàn)象分析報告與應(yīng)用探究

1、師學(xué)院數(shù)學(xué)學(xué)院論旋光效應(yīng)專業(yè)數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)生姓名靳雪松學(xué)號201205010239扌旨導(dǎo)教師瑞2014年6月25日目錄摘要1關(guān)鍵詞：1Abstract: 1Key words: 11引言21.1旋光問題的研究背景 21.2旋光效應(yīng)的研究現(xiàn)狀 22旋光理論基礎(chǔ)32.1菲涅耳對旋光性的解釋 3參考文獻：8致謝8摘要：旋光問題是光學(xué)研究的一個基本問題，旋光效應(yīng)已滲透到很 多學(xué)科中，具有廣泛的應(yīng)用本論文首先對旋光的基本理論進行綜 述，包括菲涅耳對旋光性的解釋，偏振光理論，偏振光的旋光效 應(yīng)，旋光色散理論。最后對旋光效應(yīng)的應(yīng)用作了簡要的介紹。主 要介紹了微位移測量，糖濃度檢測和油霧濃度檢測等應(yīng)用。關(guān)鍵

2、詞：旋光效應(yīng)；菲涅耳；偏振光；自然旋光；磁致旋光；旋 光色散Abstract： The study of optical rotation is a basic study in optical research .With the widespread applications, the optical rotation has spreaded into lots of subjects.Frist this essay summarises the the basic theories, including Fresnel on optical rotation the theory o

3、f polarization of light > optical rotation effect of polarized light 、 the theory of dispersi on optical rotati on . Fin al, this essay in troduces the applicati ons of the optical rotation effect further. In terms of the application of the optio nal rotati on, this paper mai nly in troduces the

4、micro displaceme nt measureme nt, sugar concen trati on detecti on and oil mist concen trati on detect ion applicati ons.Key words: optional rotation effect； Fresnel； polarized light natural optical ； magnetic rotation； rotatory dispersion1引言1.1旋光問題的研究背景1811年，阿喇果（Jago在研究石英晶體的雙折射特性時發(fā)現(xiàn)：一 束線偏振光沿石英晶體的光軸

5、方向傳播時，其振動平面會相對原方 向轉(zhuǎn)過一個角度。由于石英晶體是單軸晶體，光沿著光軸方向傳播不會發(fā)生雙折射，因而阿喇果發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象應(yīng)該屬于另外一種新現(xiàn)象 這就是晶體中的旋光現(xiàn)象。稍后，比奧（Biot）在一些蒸汽和液態(tài)物質(zhì) 中也觀察到了同樣的旋光現(xiàn)象。1.2旋光效應(yīng)的研究現(xiàn)狀旋光問題是光學(xué)研究的一個基本問題，旋光效應(yīng)具有廣泛的 應(yīng)用，近年來人們對旋光問題在理論上和應(yīng)用上進行了廣泛的探 討，已取得了許多有價值的成果1 14. 2004年，鑫等研究了晶體的 旋光性與電光效應(yīng)的交互作用以及此交互作用對旋光晶體電光Q開關(guān)的影響；黃海等對磁致旋光效應(yīng)和磁光玻璃磁致旋光效應(yīng) 的機理進行了探討，對ZF1、ZF6

6、磁光玻璃的磁致旋光效應(yīng)分別進 行了實驗研究，給出偏振面旋轉(zhuǎn)角與磁感應(yīng)強度的關(guān)系，計算出波長不變情況下不同磁感應(yīng)強度的費爾德常數(shù)（Verdet）2;為權(quán)導(dǎo)出了的斜入射時晶體的相移公式，并用其研究了相移隨入射角和方 位角的改變3. 2005年，高軍伍等提出一種利用磁致旋光效應(yīng)測量 脈沖大電流的方法4;田召兵等通過對硅酸傢鑭旋光晶體中電光效 應(yīng)和旋光效應(yīng)對光的偏振態(tài)影響的研究，推導(dǎo)出了處于外加電場中 的旋光晶體中光的傳播方程的表達式，以及透過光強的表達式，并 利用幾種簡單的光學(xué)器件在實驗上得到了很好的驗證5.2006年，彪等研究了基于晶體旋光效應(yīng)的近場光學(xué)空間濾波問題，其指出 采用偏振光檢偏法選擇不

7、同空間頻率光束的通過與阻擋，可以實現(xiàn) 激光光束的近場空間濾波，用多個濾波器串接構(gòu)成濾波器組，可提高光束空間窄帶濾波性能 .2007年初，任廣軍等利用矩陣方法分 析了液晶的旋光效應(yīng)，導(dǎo)出了液晶旋光的矩陣表示，利用JG-3型連續(xù)可調(diào)諧磁場儀搭建實驗裝置，紅外135Onm激光器做光源，測量了 偏振光通過磁場作用下 BL-009型向列相液晶的旋光角，詳細(xì)分析 了磁場對液晶旋光性能的影響，這對更好地研究液晶的旋光特性 以及液晶器件具有重要的參考價值 .2008年，王益軍等應(yīng)用法拉 第磁光效應(yīng)原理，提出利用磁致旋光估測磁場的方法，提高了磁場測量的效率，獲得了磁場的直觀分布.2009年，羅濤等通過對左旋 和

8、右旋偏振光判別方法的研究，推導(dǎo)出圓偏振光的合成條件，并 且得到了平面偏振光合成橢圓偏振光時的長短軸公式，以及橢圓偏 振光左旋和右旋在相位差上的判別方法9；王建華等研究聚合物分 散液晶旋光性能，用旋光儀測量溫度作用下手性聚合物分散液晶 的旋光性變化，結(jié)果與de Vries理論相一致10。2010年，戴玉梅等 激光綜合光學(xué)實驗儀拓展應(yīng)用的研究，完成利用激光綜合光學(xué)實 驗儀測得蔗糖溶液的旋光度與其濃度成正比關(guān)系，并利用該關(guān)系進 行未知濃度蔗糖溶液濃度測量的拓展實驗研究11;昕明等對近紅外波段石英晶體旋光率的測試研究，測出了石英晶體在近紅外波 段的旋光率12;竹琴等研究了利用光強分布測試儀測量蔗糖溶液

9、的 旋光率及其濃度，用光強分布測試儀測量光強，采用數(shù)字檢流計采 集數(shù)據(jù)，通過馬呂斯定律計算出旋光度，從而求出蔗糖溶液的旋光 率及其濃度13；建霞等研究石英晶體旋光折射率特性，分析了在 834841 nm波長處右旋光和左旋光的折射率差值的特性，并通過實驗驗證，得出了在該波長圍右旋光和左旋光的折射率差值近似 為一個常數(shù)，旋光率與右旋光和左旋光折射率差值近似無關(guān)142旋光理論基礎(chǔ)本章介紹了偏振光以及旋光性質(zhì)的理論基礎(chǔ)，以及整個測試 系統(tǒng)所需要的基本公式。2.1菲涅耳對旋光性的解釋1.直線上的簡諧振動可以分解成左、右旋運動團巳丄左右旋圓運功合成直線簡諧運動為了說明旋光現(xiàn)象是怎樣 產(chǎn)生的，需要先進一點預(yù)

10、備知 識。首先要掌握兩個同頻率的垂 直簡諧振動和合成為一個圓運 動的問題?；蛘叻催^來說，一個 圓運動可以分解成一對相互垂 直的同頻率簡諧振動12。這里 我們要討論的問題是一個直線 簡諧振動可以分解成一對圓運動。如圖2.1，El和Er是兩個大小相等二不變的旋轉(zhuǎn)矢量，他們的角速度大小相等方向相反。 設(shè)在t=0時刻它們沿某一方向重合，由于過任意時間t后兩個矢量的角位移也大小相等方向相反，它們的合矢量E總保持在原來的方向上。這時E的瞬時值為：E 2Acos t由此可見，El，Er來兩個旋轉(zhuǎn)矢量合成一個沿直線作簡諧振動的 矢量E，其振幅為2A，方向永遠(yuǎn)在El，Er瞬時位置的分角線上。上述結(jié)論也可以反過來

11、敘述，即一個沿直線作簡諧振動的矢量E可以分解成一對左、右旋的旋轉(zhuǎn)矢量El，Er，它們的大小是 矢量E的振幅之半，角速度的大小是矢量 E的角頻率。 運用這一原理到光學(xué)，就是線偏振光可以分解成左、右旋圓 偏振光，而左、右旋圓偏振光可以合成為線偏振光。2旋光性的解釋為了解釋旋光性，菲 涅耳作了如下假設(shè)：在旋 光晶體中線偏振光沿光軸 傳播時分解成左旋光和右 旋光（L光和R光），它們 的傳播速度L , R略有不同，或者說兩者的折射率 不同，因而經(jīng)過旋光晶體 片時產(chǎn)生不同的相位滯2后:2nRd式中為中空波長，d為旋光晶片的厚度nLd圓偏振光的位相即旋轉(zhuǎn)電矢量的角位移，位相滯后即角度倒 轉(zhuǎn)。當(dāng)圓偏振光經(jīng)過晶

12、片時，在出射面U上電矢量El， Er的瞬時 位置（見圖2.2 （b）比同一時刻入射界面I上的位置（見圖 2.2（a）分別落后一個角度 L和R。對于L光，El在界面U上的位置處于同一是界面I上位置的右邊，即它需要經(jīng)過一段時間向左 轉(zhuǎn)過L的角度才是此時刻界面 I上的位置。同理，R光中Er在界面U上的位置處于同一時刻在界面I上位置的左邊，相差一個角度1為了簡便，設(shè)入射的線偏振光的振動面在豎直方向，并取它 在入射界面I上的初位相為0，即在t=0時刻入射光中電矢量E的 方向朝上并具有極大值。因此將它分解為左右旋圓偏振光后，El，Er此時刻的瞬時位置都與e一致，也是朝上的?，F(xiàn)在我們來考慮同一時刻出射界面U

13、上的情形，在這里El和Er分別位于豎直方向 的右邊和左邊一個角度 l和r。當(dāng)光束穿出晶片后左、右旋圓偏 振光的速度恢復(fù)一致，我們又可以將它們合成起來考慮。如前所 屬，它們合成為一個線偏振光，其偏振方向在El，Er瞬時位置的 分角線上。從圖2.2（b）不難看出，次方向相對原來的豎直方向 轉(zhuǎn)過了一個角度，其大小為1 .R L 一 nR nL d2上式表明，偏振賣弄轉(zhuǎn)動的角度是與旋光晶片的厚度 d成正比的。當(dāng)nR m時，0，晶體是左旋的；當(dāng)nR m時，0，晶 體是右旋的，這樣，晶體的旋光性便得到了解釋。3菲涅耳假設(shè)的實驗驗證菲涅耳在提出上述假設(shè)的同時，設(shè)計了如圖2.3所示的復(fù)合棱 鏡驗證了它。他起初

14、企圖用單個石英棱鏡來光差石英中線偏振光 分解為左、右旋圓偏振光的雙折射現(xiàn)象，但由于 nL和nR的差別太 小而未獲成功。于是他就用左、右旋晶體制成棱鏡，交替排列起 來，成為 圖2.3的復(fù)合棱鏡，其中橫線代表光軸方向。如果線偏 振光在石英晶體中確實分解為速度不同的左、右旋圓偏振光，在 這種裝置中光線每次遇到傾斜的棱鏡界面時，R光和L光傳播方向 的差別都會進一步增大。最后用圓偏振光和橢圓偏振光的檢驗方 法來檢驗出射的兩光束的偏振狀態(tài)，證明它們確實是左、右旋圖2.3菲涅耳復(fù)合棱鏡的圓偏振光參考文獻:1 凱華,鐘錫華.光學(xué)M.:大學(xué),2009:217-220.2 程守株普通物理M.:高等教育,2011:272-274.3 竇寅豐.基于旋光色散原理的波長鑒別技術(shù)研究D.碩士論文，大學(xué),2010.4 章博.基于旋光效應(yīng)的糖濃度檢測D.碩士論文，大學(xué),2007.5 偉紅,宋錦春.基于旋光效應(yīng)的油霧濃度檢測研究J.光電工,2011,38(3):52-536 蔣琦.偏振旋光角度場測量方法及其在磁光成像中的應(yīng)用研究D.碩士論文，航空航天大學(xué),2011.7 俞志根.旋光效應(yīng)在微位移測量中的實驗研究J.傳感器與微系統(tǒng),201