高等光学cxr__第11讲讲述.ppt

实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转 过的角度θ与在该介质中通过的距离l成正比： θ=αl  比例系数α表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、 介质的性质及温度有关。 介质的旋光本领因波长而异的现象称为旋光色散，石英晶体的旋 光率α随光波长的变化规律如图所示。 例如，石英晶体的α在光波长为 0.4μm时，为49°/mm； 在0.5μm时，为31°/mm；在0.65 μm时，为16°/mm；而胆甾 相液晶的α约为18 000°/mm。 石英晶体的旋光色散 对于具有旋光特性的溶液，光振动方向旋转的角度还与 溶液的浓度成正比， 式中,α称为溶液的比旋光率；c为溶液浓度。在实际应 用中,可以根据光振动方向转过的角度,确定该溶液的浓度。 θ=αcl 实验还发现，不同旋光介质光振动矢量的旋转方向可能不同，并因 此将旋光介质分为左旋和右旋。当对着光线观察时，使光振动矢量顺时 针旋转的介质叫右旋光介质，逆时针旋转的介质叫左旋光介质。例如， 葡萄糖溶液是右旋光介质，果糖是左旋光介质。 自然界存在的石英晶体既有右旋的，也有左旋的，它们的旋光本领在 数值上相等，但方向相反。之所以有这种左、右旋之分，是由于其结构 不同造成的，右旋石英与左旋石英的分子组成相同，都是SiO2，但分子 的排列结构是镜像对称的，反映在晶体外形上即是图示的镜像对称。 正是由于旋光性的存在，当将石英晶片(光轴与表面垂直)置于正交 的两个偏振器之间观察其会聚光照射下的干涉图样时，图样的中心不是 暗点，而几乎总是亮的。 右旋石英与左旋石英 1825 年，菲涅耳对旋光现象提出了一种唯象的解释。按照他的假设，可以把进入旋光介质的线偏振光看作是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的组合。 菲涅耳认为：在各向同性介质中，线偏振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度vR和vL相等，因而其相应的折射率nR = c/vR 和nL = c/vL 相等；在旋光介质中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同，其相应的折射率也不相等。 在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速度较快，vR vL (或者nR nL)；在左旋晶体中，左旋圆偏振光的传播速度较快，vL vR (或者nL nR) 。根据这一种假设，可以解释旋光现象。 二、自然旋光现象的理论解释 假设入射到旋光介质上的光是沿水平方向振动的线偏振 光，按照归一化琼斯矩阵方法, 可以把菲涅耳假设表示为： 如果右旋和左旋圆偏振光通过厚度为l的旋光介质后， 相位滞后分别为： 则其合成波的琼斯矢量为： 引入： 合成波的琼斯矢量可以写为： 它代表了光振动方向与水平方向成θ角的线偏振光。这说 明，入射的线偏振光光矢量通过旋光介质后，转过了θ角。由 此可以推得： 如果左旋圆偏振光传播得快,nL nR，则θ 0,即光矢量 是向逆时针方向旋转的,如果右旋圆偏振光传播得快,nR nL， 则θ0，即光矢量是向顺时针方向旋转的,这就说明了左、右旋 光介质的区别。而且, 上式还表明,旋转角度θ与l成正比，与 波长有关(旋光色散)，这些都是与实验相符的。 三、自然旋光现象的实验验证 ——菲涅耳棱镜组实验装置 菲涅耳棱镜组 为了验证旋光介质中左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的传播速度不 同，菲涅耳设计、制成了上图所示的由左旋石英和右旋石英交替胶合 的三棱镜组，这些棱镜的光轴均与入射面AB垂直。 一束单色线偏振光射入AB面，在棱镜 1 中沿光轴方向传播，相应 的左、右旋圆偏振光的速度不同，vRvL，即nRnL； 在棱镜 2 中， vLvR，即nLnR ；在棱镜3中,vRvL,即nRnL。所以，在界面AE 上，左旋光远离法线方向折射，右旋光靠近法线方向折射，于是左、 右旋光分开了。在第二个界面CE上，左旋光靠近法线方向折射，右 旋光远离法线方向折射，于是两束光更加分开了。在界面CD上，两 束光经折射后进一步分开。这个实验结果，证实了左、右旋圆偏振光 传播速度不同的假设。 菲涅耳的解释只是唯象理论，它不能说明旋光现象的根本 原因，不能解释为什么在旋光介质中二圆偏振光的速度不同。 这个问题必须从分子结构去考虑，即光在物质中传播时，不 仅受分子的电矩作用，还要受到诸如分子的大小和磁矩等次 要因素的作用，考虑到这些因素后，入射光波的光矢量振动 方向旋转就必然了。 将旋光现象与前面讨论的双折射现象进行对比，就可以看 出它们在形式上的相似性，只不过一个是指在各向异性介质 中的二正交线偏振光的传播速度不同，一个是指在旋光介质 中的二反向旋转的圆偏