《光学》课程教学电子教案 6.6 旋光效应与圆双折射(15P).ppt

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 p2 p1 检偏器 石英晶片 起偏器 c c 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 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/nm794.76760.4728.1670.8656.2589.0546.1 a /(o)mm-111.58912.66813.92416.53517.31821.74925.538 波长/nm586.1430.7404.7382.0344.1257.1175.0 a /(o)mm-132.77342.60448.94555.62570.587143.266453.5 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 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=0 er e el (b) er e el -wt wt 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。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) 图6.6-4 菲涅耳复合棱镜 r l r 右旋圆偏振光 左旋圆偏振光 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 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 er e el (b) 出射面 er e el fl fr 表6.6-2 右旋石英晶体的折射率 波长/nmnonenlnr 396.81.558151.567711.558211.55810 762.01.539171.548111.539201.53914 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 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-1m-1） 锗酸铋（bgo）晶体室温632.81.797103 磁光玻璃sf-57室温632.81.115103 磁光玻璃sf-6室温632.81.017103 轻火石玻璃18589.35.28102 石英晶体（垂直光轴）20589.32.77102 食盐16589.35.98102 水20589.32.18102 二硫化碳20589.37.05102 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： 量糖计（自然旋光） 磁光开关与磁光调制器（点调 制与空间调制） 磁光光盘：光信息存储 磁光电流传感器（或互感器）：测量大电流 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 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b p2 p1