光学课程教学电子教案6.6旋光效应与圆双折射15P

1、6.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制主要内容主要内容1. 旋光现象旋光现象 2. 旋光现象的解释旋光现象的解释菲涅耳假设菲涅耳假设 3. 磁致旋光效应磁致旋光效应法拉第效应法拉第效应 4. 法拉第效应的应用法拉第效应的应用 (1) 旋光现象旋光现象 旋光效应：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，其振动面发振动面发生连续旋转生连续旋转的现象。的现象。 旋光物质：旋光物质：能使平面偏振光振动面产生连续旋转

2、的介质，如石英晶体、食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。糖溶液等。 图图6.6-1 石英的旋光现象石英的旋光现象p2p1检偏器检偏器石英晶片石英晶片起偏器起偏器cc6.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.6.1 旋光现象旋光现象右旋：右旋：迎着光迎着光传播方向看，传播方向看，振动面顺时针方向旋转振动面顺时针方向旋转（葡萄糖、右旋石英）（葡萄糖、右旋石英） 左旋：左旋：迎着光迎着光传播方向看，传播方向看，振动面逆时针方向旋转振动面逆时针方向旋转（果糖、左旋石英）（果糖、左旋石英）说明：说明：旋光不仅存在于各向异性介质中

3、，也存在于某些各向同性介质中；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；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。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：晶体的旋光规律： z(6.6-1) ：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入射点的振动面之转角转角；z：光波在晶体中的光波在晶体中的传播距离传播距离； ：晶体的晶体的旋光率旋光率，单位为，单位为(o

4、)/mm。 对于轴向厚度为对于轴向厚度为d 的晶片，其透射光的偏振面相对入射的转角：的晶片，其透射光的偏振面相对入射的转角： d(6.6-2) 6.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.6.1 旋光现象旋光现象(2) 晶体的旋光效应晶体的旋光效应表表6.6-1 不同波长下石英的旋光率不同波长下石英的旋光率 波长波长/nm794.76760.4728.1670.8656.2589.0546.1 /(o)mm-111.58912.66813.92416.53517.31821.74925.538波长波长/nm586.1430.7404.7382.034

5、4.1257.1175.0 /(o)mm-132.77342.60448.94555.62570.587143.266453.56.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.6.1 旋光现象旋光现象介质的旋光率与照射光波长有关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。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，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。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。

6、 旋光色散现象：旋光色散现象：溶液的旋光规律：溶液的旋光规律： (6.6-3) ：平面偏振光波在旋光性溶液中传播时其偏振面的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旋转角度；n：溶液浓度溶液浓度；z：光波在溶液中的光波在溶液中的传播距离传播距离； ：溶液的溶液的比旋比旋光率光率。 nz应用：应用：测量溶液中旋光物质的浓度测量溶液中旋光物质的浓度 溶液的浓度：溶液的浓度： ln(6.6-4) l：液池长度液池长度; ：平面偏振光穿过液池后光振动面旋转角度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旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.6.1 旋

7、光现象旋光现象(3) 溶液的旋光效应溶液的旋光效应(1) 两束同频率、同振幅的左旋和右旋圆偏振光的叠加两束同频率、同振幅的左旋和右旋圆偏振光的叠加 图图6.6-2 同频率左右圆偏振光的叠加同频率左右圆偏振光的叠加(a)t=0ereel(b)ereel-w wtw wt结论：结论：两束同向传播的同频率、同振幅、且初相位相同的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左旋和右旋圆偏振光的叠加振光的叠加结果，结果，形成形成一束振动方向恒定的一束振动方向恒定的平面偏振光平面偏振光。 6.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.6.2 旋光现象

8、的解释旋光现象的解释菲涅耳假设菲涅耳假设平面偏振光在石英晶体中沿光轴方向传播平面偏振光在石英晶体中沿光轴方向传播时，时，分解成左旋和右旋圆偏分解成左旋和右旋圆偏振光振光。两束光传播速度（或折射率）略有不同，设其分别为。两束光传播速度（或折射率）略有不同，设其分别为vl和和vr（折射（折射率分别为率分别为nl和和nr），则），则对于左旋晶体对于左旋晶体，vlvr，nlnr；对于右旋晶体对于右旋晶体，vlnr。穿过晶体后两光束将分别产生不同大小的。穿过晶体后两光束将分别产生不同大小的相位延迟相位延迟： dndnrrll2,2(6.6-5) ：真空中波长，真空中波长，d：旋光晶片厚度。旋光晶片厚度。

9、 l、 r：左旋和右旋圆偏振光的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）。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：合振动的光矢量大小： taewcos2(6.6-6) 6.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.6.2 旋光现象的解释旋光现象的解释菲涅耳假设：菲涅耳假设：(2) 旋光性的解释旋光性的解释菲涅耳复合棱镜：菲涅耳复合棱镜：r：右旋石英棱镜：右旋石英棱镜( (nrnl) ) 图图6.6-4 菲涅耳复合棱镜菲涅耳复合棱镜rlr右旋圆偏振光右旋圆偏振光左旋圆偏振光左旋圆偏振光说明：

10、说明： 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折射效应圆双折射效应圆双折射效应。 旋光性源于物质中原子排列的螺旋结构。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。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旋光效应与圆双折射6 光的

11、双折射与光调制光的双折射与光调制6.6.2 旋光现象的解释旋光现象的解释(3) 菲涅耳假设的实验验证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：合振动矢量相对于入射光偏振面转角： dnnlrlr21图图6.6-3 旋光效应的解释旋光效应的解释(a) 入射面入射面ereel(b) 出射面出射面ereel l r表表6.6-2 右旋石英晶体的折射率右旋石英晶体的折射率 波长波长/ /nmnonenlnr396.81.558151.567711.558211.55810762.01.539171.548111.539201.539146.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双

12、折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.6.2 旋光现象的解释旋光现象的解释法拉第效应：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，其转角角 正比于与磁感应强度正比于与磁感应强度b和所穿过介质的长度和所穿过介质的长度l，即，即 vlb(6.6-8) v：费尔德（费尔德（verdet）常数）常数 图图6.6-5 法拉第效应法拉第效应磁场磁场b电极电极6.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的

13、双折射与光调制6.6.3 磁致旋光效应磁致旋光效应- -法拉第效应法拉第效应表表6.6-3 某些介质的费尔德常数某些介质的费尔德常数 介介 质质温度温度/ /波长波长/nmv/(o) t-1m-1）锗酸铋（锗酸铋（bgo）晶体）晶体室温室温632.81.797103磁光玻璃磁光玻璃sf-57室温室温632.81.115103磁光玻璃磁光玻璃sf-6室温室温632.81.017103轻火石玻璃轻火石玻璃18589.35.28102石英晶体（垂直光轴）石英晶体（垂直光轴）20589.32.77102食盐食盐16589.35.98102水水20589.32.18102二硫化碳二硫化碳20589.37

14、.05102磁致旋转方向：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。的方向为偏振光旋转方向。 6.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.6.3 磁致旋光效应磁致旋光效应自然旋光介质具有自然旋光介质具有互易性互易性（服从可逆性原理），（服从可逆性原理），入射平面偏振光的偏入射平面偏振光的偏振面旋转方向与光的传播方向无关振面旋转方向与光的传播方向无关。迎着光看，迎着光看，左旋介质总使光的偏振面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

15、旋转逆时针旋转，右旋介质总使光的偏振面总是顺时针旋转。因此，。因此，当透射光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。 磁光介质具有磁光介质具有非互易性非互易性（不服从可逆性原理），不服从可逆性原理），入射平面偏振光的偏入射平面偏振光的偏振面旋转方向与磁场的正方向有关振面旋转方向与磁场的正方向有关。迎着光看，迎着光看，当光波沿磁场的正方向传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，偏振面逆时针旋转旋转。因此，

16、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。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将相对于初始方向旋转2 角。角。 6.6 旋光效应与圆双折射旋光效应与圆双折射6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.6.3 磁致旋光效应磁致旋光效应自然旋光与磁致旋光的区别：自然旋光与磁致旋光的区别： 量糖计（自然旋光）量糖计（自然旋光） 磁光开关与磁光调制器磁光开关与磁光调制器（点调（点调制与空间调制）制与空间调制） 磁光光盘：磁光光盘：光信息存储光信息存储 磁光电流传感器（或互感器）：磁光电流传感器（或互感器）：测量大电流测量大电流 磁光隔离器：磁光隔离器：在光通信和级联在光通信和级联式激光器系统中用以隔离后续式激光器系统中用以隔离后续系统反馈的光信号系统反馈的光信号 磁光偏频器：磁光偏频器：零锁区激光陀螺零锁区激光陀螺中通过产生偏频来消除激光陀中通过产生偏频来消除激光陀螺的闭锁现象螺的闭锁现象 图图6.6-6 磁光开关及磁光调制器原理磁光开关及磁光