竞赛补习光学(4)

1、第七章第七章 光在晶体中的传播光在晶体中的传播5 旋旋 光光1石英的石英的旋光现象旋光现象1）旋光现象）旋光现象冰洲石晶体冰洲石晶体无旋光现象无旋光现象水晶有旋光现象水晶有旋光现象2）旋光定义：）旋光定义：线偏振光在石英晶体内部沿光轴方向传线偏振光在石英晶体内部沿光轴方向传播时，透过后偏振面被旋转了一个角度。播时，透过后偏振面被旋转了一个角度。3）旋光率：）旋光率：d：旋光率。：旋光率。 4）旋光色散：）旋光色散：，旋光率随波长变化。，旋光率随波长变化。 )(不同颜色的线振动面透过晶体后不同颜色的线振动面透过晶体后被旋转的角度不同被旋转的角度不同5）左旋和右旋晶体）左旋和右旋晶体一种结构是另一

2、种一种结构是另一种结构的镜像反演结构的镜像反演线偏振光沿光轴通线偏振光沿光轴通过晶体后振动面一过晶体后振动面一种向左旋、另一种种向左旋、另一种向右旋。向右旋。2菲涅耳对旋光的解释菲涅耳对旋光的解释1）左、右旋圆偏振光（）左、右旋圆偏振光（ 光和光和 光）光） 可以合成线偏振光可以合成线偏振光RL，LEREE0tAELEREAtttt两个图同一界面上不同时刻的状态两个图同一界面上不同时刻的状态2）线偏振光可以分解为左、右旋圆偏振光）线偏振光可以分解为左、右旋圆偏振光0cos()EEt i0/2(cos()cos( /2) )Et it j0/2(cos()cos(/2) )Et it jRLEE

3、0(cos()cos(/ 2) )LEEt it j0(cos()cos(/2) )REEt it j02cos()LREEEEt i3）菲涅耳假设）菲涅耳假设线偏振光沿旋光晶体光轴方向传播时线偏振光沿旋光晶体光轴方向传播时分解成速度不等的分解成速度不等的 光和光和 光，光，产生了不同的相位延迟。产生了不同的相位延迟。LR：旋光晶片厚度，：旋光晶片厚度， vvLR/v ,LLnc/vRRnc,20dnLLdnRR02dRLLEREELEREE4）对旋光现象的解释）对旋光现象的解释同一时刻入射面同一时刻入射面(左左)和出射面和出射面(右右)的状态的状态位相滞后即旋转角度倒转位相滞后即旋转角度倒转

4、（1）在入射面上，线偏振光在入射面上，线偏振光 分解成左右旋分解成左右旋 圆偏振光，且圆偏振光，且 和和 方向重合。方向重合。RELEE（2）在出射面上，在出射面上， 和和 与同一时刻与同一时刻 入射面上两个旋转电矢量相比：入射面上两个旋转电矢量相比：LERE,20dnLLdnRR02LR相位分别滞后相位分别滞后即角位移落后即角位移落后(倒转倒转)了了 和和 。（3）从晶片出射后线偏振光旋转的角度从晶片出射后线偏振光旋转的角度dnnLRLR)()(210（4）左旋晶体和右旋晶体左旋晶体和右旋晶体（ ），左旋晶体），左旋晶体 （ ），右旋晶体），右旋晶体 0LRnn 0LRnn 5）菲涅耳假设的

5、实验验证）菲涅耳假设的实验验证（2）在第二块左旋晶体在第二块左旋晶体L中，中， ， 且且 （1）在第一块右旋晶体在第一块右旋晶体R中，光束沿光轴中，光束沿光轴 传播，光和传播，光和 光方向相同。光方向相同。LR22RLnnR（3）因此）因此， ， 光更向上偏折，光更向上偏折，L（4）一步步偏折下去，一步步偏折下去， 光和光和 光被光被 如图所示地分开了。如图所示地分开了。RL11RLnn12RLnn21,RLnn12RRnn21LLnn光向下偏折。光向下偏折。3 旋光晶体中的波面旋光晶体中的波面 （1）光沿光轴方向传播时，两光都是光沿光轴方向传播时，两光都是 圆偏振光，圆偏振光， 光快，光快，

6、 光慢。光慢。（2）光垂直光轴方向传播时，两光都是光垂直光轴方向传播时，两光都是 线偏振光，线偏振光， 光快，光快， 光慢。光慢。RLoe（3）光沿任意方向传播时，两光都是光沿任意方向传播时，两光都是 椭圆偏振光，椭圆偏振光， 光快，光快， 光慢。光慢。（4）随传播方向如图变化，圆偏振光随传播方向如图变化，圆偏振光 逐渐演化成线偏振光的过程。逐渐演化成线偏振光的过程。（1）石英晶体切成入射表面垂直石英晶体切成入射表面垂直 光轴的晶片时，具有旋光性。光轴的晶片时，具有旋光性。（2）石英晶体切成入射表面平行石英晶体切成入射表面平行 光轴的晶片时，不具有旋光性。光轴的晶片时，不具有旋光性。oReL注

7、意：注意：4量糖术量糖术1）装置）装置2）旋光角）旋光角 度公式度公式Nl（1） ， （蔗糖溶液，（蔗糖溶液， ，钠黄光。），钠黄光。）：线振动面转角；：线振动面转角； ：管长；：管长；：溶液的浓度；：溶液的浓度； ：比旋光率。：比旋光率。Nl3）讨论：）讨论：)/.(/46.6630cmgdmC0200（2） ：为右旋：为右旋（3）许多有机物（糖，药物）都具有旋光性许多有机物（糖，药物）都具有旋光性（4）同一种物质常常具有左右两种旋光异构体同一种物质常常具有左右两种旋光异构体5磁致旋光法拉第旋转磁致旋光法拉第旋转1）装置、光路）装置、光路2）磁致旋光或法拉第旋转效应）磁致旋光或法拉第旋转效应

8、产生强磁场后，线偏振面在样品中转过了角度产生强磁场后，线偏振面在样品中转过了角度 VlB3）讨论：）讨论：（1）一般物质的维尔德常数都很小一般物质的维尔德常数都很小GscmV/ 042. 0（2）液体中液体中 较大的有较大的有 ， （3）固体中的某些重火石玻璃可达固体中的某些重火石玻璃可达2CSVGscmV/ 09. 0：长度，：长度， ：磁感应强度，：磁感应强度，lBV：维尔德常数：维尔德常数4）法拉第旋转的特殊规律）法拉第旋转的特殊规律（1）自然旋光物质左右旋与光的自然旋光物质左右旋与光的 传播方向无关传播方向无关（2）光沿磁场方向通过时，振动面右旋。光沿磁场方向通过时，振动面右旋。 光逆

9、磁场方向传播时，振动面左旋。光逆磁场方向传播时，振动面左旋。（4）法拉第旋转的用途法拉第旋转的用途0450902若：若：线偏振光返回后无法通过第一个偏振片，线偏振光返回后无法通过第一个偏振片，成为成为光隔离器光隔离器。则则:（3）光束一正一反两次通过磁光介质时，光束一正一反两次通过磁光介质时， 振动面转过角度振动面转过角度 。2第八章第八章 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射1 光的吸收光的吸收1定义：定义： 光强度随穿进介质光强度随穿进介质 深度减弱的现象，深度减弱的现象，光吸收包含真吸收光吸收包含真吸收和散射两部分。和散射两部分。2光吸收的线性规律光吸收的线性规律1）光路）光路dx0

10、IIl：吸收系数，：吸收系数， ， 2）布格尔定律（朗伯定律）布格尔定律（朗伯定律）IdxdIleII0，3）吸收系数的物理意义）吸收系数的物理意义1l%36/10eII令：令： ， 结论：结论：的量纲是长度的倒数，的量纲是长度的倒数，是光强减少到是光强减少到时穿过的厚度时穿过的厚度/1l%361elII0lnln4）布格尔定律成立的条件）布格尔定律成立的条件入射光强不太大，入射光强不太大，确保与电磁场和光强无关。确保与电磁场和光强无关。5）比尔定律）比尔定律AC若若 ， ：溶液浓度，：溶液浓度，CAlCeII03复数折射率及其意义复数折射率及其意义,令令 为复数折射率为复数折射率0exp (

11、)EEi kxt00exp( /)exp(/)Eix vtEinx ctcvn )1 (inn0exp(/)EEinx ct0exp(/ )exp(/)Enx cinx ct是随距离是随距离 衰减的平面波的波动方程衰减的平面波的波动方程x：称为衰减指数，：称为衰减指数， )/2exp(20*cxnEEEI与与 比较比较leII0得：得： 0/4/2ncn电磁波的衰减因介质的吸收而产生电磁波的衰减因介质的吸收而产生4光的吸收与波长的关系光的吸收与波长的关系1）普遍吸收与选择吸收）普遍吸收与选择吸收（1）普遍吸收：）普遍吸收：吸收系数吸收系数 与波长无关，与波长无关， 入射光从介质透射或反射后只改

12、变入射光从介质透射或反射后只改变 强度不改变颜色。空气、纯水，强度不改变颜色。空气、纯水， 无色玻璃等介质都在可见光范围内无色玻璃等介质都在可见光范围内 产生普遍吸收。产生普遍吸收。（2）选择吸收：）选择吸收：吸收系数吸收系数 与波长有关，白与波长有关，白 光从介质透射或反射后变为彩色光。绝光从介质透射或反射后变为彩色光。绝 大部分物体呈现颜色，都是表面或体内大部分物体呈现颜色，都是表面或体内 选择吸收的结果。选择吸收的结果。（4）臭氧强烈吸收波长短于臭氧强烈吸收波长短于 的紫外光。的紫外光。 大气尤其是水蒸气强烈吸收红外辐射，大气尤其是水蒸气强烈吸收红外辐射， 只在某些称为只在某些称为“大气

13、的窗口大气的窗口”的狭窄的狭窄 波段内透明。波段内透明。 （3）对所有电磁波普遍吸收的介质是不存在的。对所有电磁波普遍吸收的介质是不存在的。 对可见光普遍吸收的物质，往往对红外对可见光普遍吸收的物质，往往对红外 或紫外光选择吸收。或紫外光选择吸收。300nm（5）石英透光区：石英透光区：180,4000nmnm 冕牌玻璃透光区：冕牌玻璃透光区：350,2000nmnm 2）吸收光谱和发射光谱）吸收光谱和发射光谱（1）吸收光谱：）吸收光谱：具有连续谱的光通过吸收物质具有连续谱的光通过吸收物质 后形成的光谱，在连续谱背景上出现了一后形成的光谱，在连续谱背景上出现了一 些暗线和暗带。前者称为线状谱，

14、后者些暗线和暗带。前者称为线状谱，后者 称为带状谱。称为带状谱。（2）发射光谱：）发射光谱：物质发光时产生的光谱。吸收光物质发光时产生的光谱。吸收光 谱的暗线和发射光谱的亮线位置一一对应。谱的暗线和发射光谱的亮线位置一一对应。（3）特征光谱（标识谱线）：）特征光谱（标识谱线）：由原子独有的能级由原子独有的能级 结构生成的特有的吸收谱线结构生成的特有的吸收谱线（4）光谱分析法：）光谱分析法：利用特征谱线检测物质中含有利用特征谱线检测物质中含有 何种元素成分的方法。何种元素成分的方法。2 光的色散光的色散1色散概念色散概念1）定义：）定义： 介质折射率随光的频率或波长变化的现象介质折射率随光的频率

15、或波长变化的现象2）色散曲线：）色散曲线： 介质折射率随波长变化的函数关系介质折射率随波长变化的函数关系例如：例如： 2/sin/ )(sin)(min nn3）色散率：）色散率： 介质折射率随波长的变化率介质折射率随波长的变化率 ddn/2正常色散正常色散1）正常色散）正常色散 特点特点ddn/（1） 和和 随波长增大单调下降随波长增大单调下降n（2） 一定时，一定时， 愈大，愈大， 也愈大。也愈大。ddn/n（3）在可见光波段，在可见光波段， 变化缓慢；变化缓慢； 在紫外区，在紫外区， 变化剧烈。变化剧烈。nn（4）各曲线之间没有简单的几何相似性各曲线之间没有简单的几何相似性2）正常色散定义：）正常色散定义： 折射率随波长增大单调下降折射率随波长增大单调下降0/ddn即色散率小于零即色散率小于零（1） 是真空中的波长是真空中的波长3）正常色散的经验公式）正常色散的经验公式4020CBAn0注意：注意： CBA,（2）常量常量 由介质性质决定由介质性质决定（3） 变化不大时只取前两项变化不大时只取前两项 020BAn30