成都理工大学光学教程课程设计

光学教程课程设计(论文)设计（论文）题目蔗糖溶液的旋光效应学院名称核技术与自动化工程学院专业名称学生姓名学生学号任课教师赵晓云设计（论文）成绩教务处制2015年7月4日填写说明1、专业名称填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明；2、格式要求：格式要求：①用A4纸双面打印（封面双面打印）或在A4大小纸上用蓝黑色水笔书写。②打印排版：正文用宋体小四号，1.5倍行距，页边距采取默认形式（上下2.54cm，左右2.54cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm）。字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）；页码用小五号字底端居中。③具体要求：题目（二号黑体居中）；摘要(“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小4号宋体)；关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼3-5个关键词，用分号隔开，小4号黑体)；正文部分采用三级标题；第1章××(小二号黑体居中，段前0.5行)1.1×××××小三号黑体×××××（段前、段后0.5行）1.1.1小四号黑体（段前、段后0.5行）参考文献（黑体小二号居中，段前0.5行），参考文献用五号宋体，参照《参考文献著录规则（GB/T7714－2005）》。摘要：旋光性菲涅尔假设:菲涅尔根据振动中的一个原理，即任何一个直线简谐运动可以看作是两个相反方向旋转的同频率的圆周运动的组合，认为：沿晶体光轴方向传播的直线偏振光也可以看作是由两个同频率、旋向相反的原偏振光组成。在旋光晶体中，这两种偏振光有不同的传播速度。这样一个假设，虽然不能说明现象的本质，但能令人信服的说明实验结果。关键词：旋光，偏振，糖浓度1旋光问题的研究背景1811年,阿喇果（Jago)在研究石英晶体的双折射特性时发现:一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时,其振动平面会相对原方向转过一个角度。由于石英晶体是单轴晶体,光沿着光轴方向传播不会发生双折射,因而阿喇果发现的现象应该属于另外一种新现象,这就是晶体中的旋光现象。稍后,比奥(Biot)在一些蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。2旋光效应的研究现状阿喇果发现,当线偏振光通过某些透明物质时,它的振动面将会绕光的传播方向转过一定的角度。这种现象就叫旋光效应,光的振动面转过的角度称为旋光度,使光的振动面产生旋转的物质叫做旋光物质（进一步地,迎着光的传播方向看,使光的振动面顺时针转动的物质叫右旋物质,反之则为左旋物质.常见的旋光物质有:石英,朱砂,酒石酸,食糖溶液,松节油等。利用旋光仪可以测定这些物质的比重,纯度或浓度。2004年，尹鑫等人研究了晶体的旋光性与电光效应的交互作用以及此交互作用对旋光晶体电光Q开关的影响;黄海等对磁致旋光效应和磁光玻璃磁致旋光效应的机理进行了探讨,对ZF1、ZF6磁光玻璃的磁致旋光效应分别进行了实验研究,给出偏振面旋转角与磁感应强度的关系,计算出波长不变情况下不同磁感应强度的费尔德常数;张为权导出了的斜入射时晶体的相移公式，并用其研究了相移随入射角和方位角的改变.2005年,高军伍等提出一种利用磁致旋光效应测量脉冲大电流的方法;田召兵等通过对硅酸镓镧旋光晶体中电光效应和旋光效应对光的偏振态影响的研究,推导出了处于外加电场中的旋光晶体中光的传播方程的表达式,以及透过光强的表达式,并利用几种简单的光学器件在实验上得到了很好的验证.2006年，李彪等研究了基于晶体旋光效应的近场光学空间滤波问题,其指出采用偏振光检偏法选择不同空间频率光束的通过与阻挡,可以实现激光光束的近场空间滤波,用多个滤波器串接构成滤波器组,可提高光束空间窄带滤波性能.2007年初,任广军等利用矩阵方法分析了液晶的旋光效应,导出了液晶旋光的矩阵表示，利用JG-3型连续可调谐磁场仪搭建实验装置,红外1350nm激光器做光源,测量了偏振光通过磁场作用下BL-009型向列相液晶的旋光角,详细分析了磁场对液晶旋光性能的影响，这对更好地研究液晶的旋光特性以及液晶器件具有重要的参考价值.2008年,王益军等应用法拉第磁光效应原理,提出利用磁致旋光估测磁场的方法,提高了磁场测量的效率,获得了磁场的直观分布.2009年,罗涛等通过对左旋和右旋偏振光判别方法的研究，推导出圆偏振光的合成条件,并且得到了平面偏振光合成椭圆偏振光时的长短轴公式,以及椭圆偏振光左旋和右旋在相位差上的判别方法;王建华等研究聚合物分散液晶旋光性能,用旋光仪测量温度作用下手性聚合物分散液晶的旋光性变化,结果与deVries理论相一致.2010年,戴玉梅等激光综合光学实验仪拓展应用的研究，完成利用激光综合光学实验仪测得蔗糖溶液的旋光度与其浓度成正比关系,并利用该关系进行未知浓度蔗糖溶液浓度测量的拓展实验研究；张昕明等对近红外波段石英晶体旋光率的测试研究，测出了石英晶体在近红外波段的旋光率;刘竹琴等研究了利用光强分布测试仪测量蔗糖溶液的旋光率及其浓度，用光强分布测试仪测量光强,采用数字检流计采集数据,通过马吕斯定律计算出旋光度,从而求出蔗糖溶液的旋光率及其浓度;刘建霞等研究石英晶体旋光折射率特性,分析了在834～841nm波长处右旋光和左旋光的折射率差值的特性,并通过实验验证,得出了在该波长范围内右旋光和左旋光的折射率差值近似为一个常数,旋光率与右旋光和左旋光折射率差值近似无关.3.旋光理论基础蔗糖是右旋性物质，其比旋光度[α]=+66.6；葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度[α]=+52.5；果糖是左旋性物质，其比旋光度[α]=-91.9。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖的右旋性大，因此随着水解反应的进行，溶液的右旋角逐渐减小，最后经过零点变成左旋。旋光度与浓度成正比，并且溶液的旋光度为溶液中各组分的旋光度之和。物体具有旋光性的条件物体具有旋光性，其结构不能具有空间反演不变的性质。对于分子可以随机朝向的多晶或者溶液，分子必须具有手征性，否则不能破坏空间反演不变性，不会发生旋光现象.旋光性的维相描述旋光性，可以用左旋光和右旋光具有不同传播速度维相地进行描述.任何偏振光都可以看成左旋光和右旋光的叠加.把左右旋的光叠加成偏振光时，偏振方向跟两种光的位相差有关系.如果两种光传播速度不同，就会产生附加的维相差，导致偏振光旋转。旋光度的测定旋光仪是用来测定光学活性物质旋光能力大小和方向的仪器。光学活性物质可以旋转偏振光平面，其大小和方向除了与该物质结构有关外，还与测定时的温度、所用光的波长、溶液的浓度和溶剂、旋光管的长度等有关。一般单色光源用钠光灯，波长为589nm，以D表示。规定以每毫升溶液所含溶质的克数作为质量浓度的单位。由旋光仪测得旋光角度后，可以下式计算旋光度：α为用旋光仪测得的旋光度；c为溶液的质量浓度(g/ml)；l为旋光管的长度/dm；t为测定时温度(℃)，λ为测定所用光波波长(钠光以D表示)。光活性物质为液体时，则以密度ρ(g/ml)代替c，即若以100ml溶液含溶质的克数，则，如果糖的水溶液，溶液浓度为5g/100ml，在1dm旋光管中测得旋光角度为-4.64°，则：书写旋光度时，除注明温度，光波波长外，在数据后的括号内，注明其质量百分浓度和配制溶液用的溶剂。旋光性和晶体双折射的类比双折射晶体可以将偏振光变为椭圆偏振光，或者其他方向的偏振光,将两块很薄的双折射晶体以比较随意的方向叠加(夹角为ψ)，则叠加结果破坏空间反演不变性。3.1光的偏振理论1.光的偏振现象及其应用光的偏振（polarizationoflight）振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。常见的偏振应拥有1.电子表的液晶显示用到了偏振光。2.在摄影镜头前加上偏振镜消除反光。3摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗。4.使用偏振镜看立体电影5、生物的生理机能与偏振光6、汽车使用偏振片防止夜晚对面车灯晃眼2.偏振态的定义与分类1、线偏振光在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。你可以通过一个实验想象这是一种什么景象：你把一根绳子的一头拴在邻居院子里的树上，另一头拿在你手里。再假定绳子是从篱笆的两根竹子的正当中穿过去的。如果你现在拿绳子上下振动，绳子产生的波就会从两根竹子之间通过，并从你的手传到那棵树上。这时，那座篱笆对你的波来说是透明的。但是，要是你让绳子左右波动，绳子就会撞在两根竹子上，波就不会通过篱笆了，这时这座篱笆就相当于一个起偏振器件。2、部分偏振光光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。当光线从空气（严格地说应该是真空）射入介质时，布儒斯特角的正切值等于介质的折射率n。由于介质的折射率是与光波长有关的，对同样的介质，布儒斯特角的大小也是与光波长有关的。以光学玻璃折射率1.4-1.9计算，布儒斯特角大约为54-62度左右。当入射角偏离布儒斯特角时，反射光将是部分偏振光。3、椭圆偏振光在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。迎着光线方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光，凡逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光。椭圆偏振光中的旋转电矢量是由两个频率相同、振动方向互相垂直、有固定相位差的电矢量振动合成的结果(见波片)。4、圆偏振光旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。在我们的观察时间段中平均后，圆偏振光看上去是与自然光一样的。但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是随机的，没有规律的。3.2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。1.自然旋光效应自然界中存在一些物质,当线偏振光沿光轴方向通过这些物质后,其偏振面会发生旋转,即发生旋光现象,称之为自然旋光。旋光现象最早由阿拉果在石英晶体中发现,随后毕奥发现一些各向同性的气体和液体也具备该特性;而一些不具备自然旋光本领的晶体在磁场的作用下,偏振面产生偏转的现象称为磁光效应,该现象在1846年由法拉第首次发现,也称为法拉第效应。线偏振光沿光轴方向入射到晶体中,其光强可以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光,对应的折射率分别为nL和nR,它们在晶体中传播距离l后产生的相位差可以用角位移表示为在外加磁场为零的情况下,晶体本身满足nL－nR≠0,则该晶体具备自然旋光特性,自然旋光是晶体本身具有的一种旋光本领,不需要外加磁场,可以直接测量该旋光晶体的偏转角,实验装置如图1所示。只有在外加磁场不为零时,晶体才满足nL－nR≠0,则该晶体为磁光晶体,利用法拉第效应来描述,测量其偏转角时需要外加磁场,实验装置如图2所示,通过直流励磁和交流励磁的开关来控制恒定磁场和时变磁场磁光调制器是由在铽玻璃周围环绕交流激励电信号的励磁线圈构成。假定线圈所加交流电信号为i=i0sin(ωt)时,产生的时变磁场为B=B0sin(ωt),则晶体的磁致旋转角θ=θ0sin(ωt),根据马吕斯定律I=I0cos2,检偏器的输出光强可得其中α为起偏器和检偏器主截面的初始夹角。利用三角函数公式,式(2)可变形为当α=0,将cos(δsin(ωt))=J0(δ)+2J2(δ)cos(2ωt)+4J4(δ)cos(4ωt)+…代入式(3)可得可以发现:起偏器和检偏器偏振轴平行时,输出光中出现