旋光效应与圆双折射

§6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制主要内容1.旋光现象2.旋光现象的解释——菲涅耳假设3.磁致旋光效应——法拉第效应4.法拉第效应的应用(1)旋光现象旋光效应：平面偏振光在某些各向异性介质中沿光轴传播时，其振动面发生连续旋转的现象。旋光物质：能使平面偏振光振动面产生连续旋转的介质，如石英晶体、食糖溶液等。图6.6-1石英的旋光现象P2P1检偏器石英晶片起偏器cc6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.1旋光现象右旋：迎着光传播方向看，振动面顺时针方向旋转（葡萄糖、右旋石英）左旋：迎着光传播方向看，振动面逆时针方向旋转（果糖、左旋石英）说明：旋光不仅存在于各向异性介质中，也存在于某些各向同性介质中；所有在非晶态下具有旋光本领的物质，在结晶态下也是旋光性的；有些晶体，如石英，甚至具有左旋和右旋两种性质。晶体的旋光规律：(6.6-1)Dy：沿旋光性晶体光轴方向传播的单色平面偏振光的偏振面相对于入射点的振动面之转角；z：光波在晶体中的传播距离；a：晶体的旋光率，单位为(o)/mm。对于轴向厚度为d的晶片，其透射光的偏振面相对入射的转角：(6.6-2)6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.1旋光现象(2)晶体的旋光效应表6.6-1不同波长下石英的旋光率波长/nm794.76760.4728.1670.8656.2589.0546.1a/[(o)·mm-1]11.58912.66813.92416.53517.31821.74925.538波长/nm586.1430.7404.7382.0344.1257.1175.0a/[(o)·mm-1]32.77342.60448.94555.62570.587143.266453.56.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.1旋光现象介质的旋光率与照射光波长有关。在白光照射下，不同颜色光的振动面旋转的角度不同。透过检偏器观察时，由于各种颜色的光不能同时消光，故旋转检偏器时将观察不到消光现象，而会看到色彩的变化。旋光色散现象：溶液的旋光规律：(6.6-3)Dy：平面偏振光波在旋光性溶液中传播时其偏振面的旋转角度；N：溶液浓度；z：光波在溶液中的传播距离；[a]：溶液的比旋光率。应用：测量溶液中旋光物质的浓度溶液的浓度：(6.6-4)l：液池长度;y：平面偏振光穿过液池后光振动面旋转角度6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.1旋光现象(3)溶液的旋光效应(1)两束同频率、同振幅的左旋和右旋圆偏振光的叠加图6.6-2同频率左右圆偏振光的叠加(a)t=0EREEL(b)EREEL-wtwt结论：两束同向传播的同频率、同振幅、且初相位相同的左旋和右旋圆偏振光的叠加结果，形成一束振动方向恒定的平面偏振光。6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.2旋光现象的解释——菲涅耳假设平面偏振光在石英晶体中沿光轴方向传播时，分解成左旋和右旋圆偏振光。两束光传播速度（或折射率）略有不同，设其分别为vL和vR（折射率分别为nL和nR），则对于左旋晶体，vLvR，nLnR；对于右旋晶体，vLvR，nLnR。穿过晶体后两光束将分别产生不同大小的相位延迟：(6.6-5)l：真空中波长，d：旋光晶片厚度。fL、fR：左旋和右旋圆偏振光的旋转矢量相对于入射时的角位移（滞后意味着角度倒转）。合振动的光矢量大小：(6.6-6)6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.2旋光现象的解释菲涅耳假设：(2)旋光性的解释菲涅耳复合棱镜：R：右旋石英棱镜(nRnL)；L：左旋晶体棱镜(nRnL)图6.6-4菲涅耳复合棱镜RLR右旋圆偏振光左旋圆偏振光说明：①旋光效应导致一束平面偏振光被分解为两束圆偏振光，因而也是一种双折射效应——圆双折射效应。②旋光性源于物质中原子排列的螺旋结构。旋光性的严格解释需考虑物质的微观结构。菲涅耳关于旋光现象的解释仅仅是一种惟象描述，并未涉及其微观机制，它不能回答为何在旋光介质中两圆偏振光的速度不同。6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.2旋光现象的解释(3)菲涅耳假设的实验验证(6.6-7)合振动矢量相对于入射光偏振面转角：图6.6-3旋光效应的解释(a)入射面EREEL(b)出射面EREELfLfR表6.6-2右旋石英晶体的折射率波长/nmnonenLnR396.81.558151.567711.558211.55810762.01.539171.548111.539201.539146.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.2旋光现象的解释法拉第效应：平面偏振光在某些有磁场作用的非旋光物质中传播时，若传播方向沿磁场作用方向，则光波的偏振面将发生旋转，其转角y正比于与磁感应强度B和所穿过介质的长度l，即(6.6-8)V：费尔德（Verdet）常数图6.6-5法拉第效应磁场B电极6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.3磁致旋光效应-法拉第效应表6.6-3某些介质的费尔德常数介质温度/℃波长/nmV/(o)·T-1·m-1）锗酸铋（BGO）晶体室温632.81.797×103磁光玻璃SF-57室温632.81.115×103磁光玻璃SF-6室温632.81.017×103轻火石玻璃18589.35.28×102石英晶体（垂直光轴）20589.32.77×102食盐16589.35.98×102水20589.32.18×102二硫化碳20589.37.05×102磁致旋转方向：服从左手螺旋法则，即拇指制向磁场正方向，则四指弯曲的方向为偏振光旋转方向。6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.3磁致旋光效应自然旋光介质具有互易性（服从可逆性原理），入射平面偏振光的偏振面旋转方向与光的传播方向无关。迎着光看，左旋介质总使光的偏振面逆时针旋转，右旋介质总使光的偏振面总是顺时针旋转。因此，当透射光波由于反射而再次反向穿过自然旋光介质时，其偏振面将回到初始位置。磁光介质具有非互易性（不服从可逆性原理），入射平面偏振光的偏振面旋转方向与磁场的正方向有关。迎着光看，当光波沿磁场的正方向传播时，偏振面顺时针旋转；当光波沿磁场的负方向传播时，偏振面逆时针旋转。因此，当透射光波由于反射而再次反向穿过磁光介质时，其偏振面将相对于初始方向旋转2y角。6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.3磁致旋光效应自然旋光与磁致旋光的区别：①量糖计（自然旋光）②磁光开关与磁光调制器（点调制与空间调制）③磁光光盘：光信息存储④磁光电流传感器（或互感器）：测量大电流⑤磁光隔离器：在光通信和级联式激光器系统中用以隔离后续系统反馈的光信号⑥磁光偏频器：零锁区激光陀螺中通过产生偏频来消除激光陀螺的闭锁现象图6.6-6磁光开关及磁光调制器原理磁场BP2P1电极图6.6-7磁光隔离器原理磁场BP2P1电极45o6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制6.6.4法拉第效应的应用6.6旋光效应与圆双折射6光的双折射与光调制1.旋光效应的特点及应用2.旋光的起因3.法拉第效应的特点及应用4.自然旋光与磁致旋光的区别本节重点