磁光效应及其应用(精品·公开课件).ppt

5.4 磁光效应及其应用 5.4.1 晶体的旋光效应 5.4.2 磁光效应——法拉第效应 5.4.3 磁光效应的应用 5.4.1 晶体的旋光效应 自然旋光现象 2. 自然旋光现象的理论解释 3. 自然旋光现象的实验验证 自然旋光现象 1811 年, 阿喇果(Arago)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，如图 5-18所示。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属另外一种新现象，这就是旋 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。 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 5-19 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。 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。 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 5-20 所示的镜像对称。 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。 2.自然旋光现象的理论解释 ——菲涅耳假设 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。 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。 3. 自然旋光现象的实验验证 ——菲涅耳棱镜组实验装置 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、制成了图 5-21 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C