（光学专业论文）石英旋光性及其偏光干涉谱的测试分析.pdf

曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 页 摘要 石英晶体是一种重要的光学材料，旋光性是石英晶体的重要性质之一。利用石英晶体 的旋光性制成的器件在色散滤波、光通讯、退偏等领域有重要应用。查阅相关资料发现， 对于石英晶体材料双折射性的研究很多，而对于其旋光性研究大多是应用方面的，对石英 晶体旋光性的本质研究报道很少。 在本论文中，比较系统研究了石英晶体晶系类别、微观结构及原子排列方式、石英旋 光率、旋光色散的有关知识以及磁致旋光、菲涅耳假设等知识。 借鉴有机螺旋模型理论，分析了石英晶体旋光性与微观螺旋结构的内在联系，采用微 螺旋结构螺距变化，解释了石英旋光率的方向性、热效应以及与有机液体旋光率的差异性。 石英微观螺旋结构特性决定了其螺旋长度，在一定温度下是一定的，并且沿光轴方向有最 大螺距，这正好体现了旋光现象最明显、旋光率最大的特点；当传播方向偏离光轴时，螺 距向光传播方向投影后会变小，从而旋光率也变小，直至垂直光轴方向旋光性为零。当温 度变化升高时，石英晶体发生热膨胀，内部原子距离增大从而导致螺距s 变大，旋光率随 之增大，这个解释与温度升高时石英旋光率测试结果吻合。本文也从微观电磁理论的角度 对晶体旋光性的根本原因进行解释，进一步验证了石英体旋光性的原因。研究认为反对称 旋性张量s 二是物质旋光的根本原因，当矩阵s 幺或相应回转矢量。的元素不全为0 时的 物质具有旋光性。石英晶体所属的六方晶系的繇。的独立元素有3 个，晶体的对称性会使 g 叩中的独立元素减少。 在石英旋光晶体透射比进行了理论分析的基础上，对3 0 0 1 5 0 0 n m 波段范围内常温状 态下利用双光路对比测量方法对偏光干涉谱线进行了实验测量。实验结果显示，在紫外区 由于石英吸收明显，峰值透射率偏低，这与理论分析结果有一定区别，而且谱线周期很小， 原因是紫外区石英旋光率随波长变化率很大；红外光区由于旋光率随波长变化率趋近于零 而导致谱线周期很大；在可见光区峰值透射比在6 0 左右，由于旋光率随波长变化率不大， 晶体厚度对谱线周期影响明显。在温度变化的环境下对3 0 0 - 1 5 0 0 n m 进行了测试，通过分 析所得谱线及对应极值波长表明：随着温度升高，透射谱线向长波方向漂移，进一步分析 得出漂移的主要原因是由于温度升高导致石英晶体旋光率变大而引起的，其中旋光率变大 可以利用螺旋理论解释为：由于石英晶体热膨胀导致微观结构中螺距变大造成的。 文章的第三章和第四章是本文的主要部分，也是本文的主要创新点： 1 、探索性利用螺旋理论的知识解释石英晶体旋光性的有关特点，采用微螺旋结构螺 距变化的解释，较好解释石英旋光率的方向性、热效应以及与有机液体旋光率的差异性。 2 、用双光路对比法对石英旋光晶体在可见光区进行偏光透射谱线测试，并对测试所 得的透射谱线进行分析测量。实验结果显示，常温下可见光区，由于旋光率随波长变化率 不大，晶体厚度对谱线周期影响明显；在温度变化的环境下，随着温度升高，透射谱线向 长波方向平移，进一步分析得出平移的主要原因是由于温度升高导致石英晶体旋光率变 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 页 大，热膨胀导致了微观结构的螺距变大，从而验证了螺旋理论的正确性。 本文理论分析与实验测试相结合，对石英晶体旋光性本质研究和相关应用提供了一定 参考。 关键词：物理光学；石英晶体；旋光性；螺旋结构；旋性张量；偏光干涉；透射谱线； 温度效应 一一 一 a b s t r a c t q u a r t zc r y s t a li sa ni m p o r t a n tk i n do fo p t i c a lm a t e r i a l o p t i c a l a c t i v i t yi so n eo fi t s i m p o r t a n tp r o p e r t i e s d e v i c e sm a d ew i t h o p t i c a la c t i v i t yo fq u a r t zc r y s t a lh a v ei 1 1 1 p 0 1 t a n t a p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fd i s p e r s i o nf i l t e r i n g , o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , d e p o l a r i z a t i o na n d s oo n r e f e r r i n gt or e l a t e dl i t e r a t u r e s ，s t u d yo fq u a r t zc r y s t a li sm a i n l yc o n c e r n e dw i t hb i r e 丘m g 锄c eo f t h em a t e r i a la n dt h ea p p l i c a t i o no f i t so p t i c a la c t i v i t y , w h i l ew o r ko nt h en a t u r eo f o p t i c a la c t i v i t v h a sl i t t l eb e e nd o n e i nt h ep a p e r , t h ef o l l o w i n gk n o w l e d g ei s s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d i ti n c l u d e sc a t e g o 珂o f q 嘣zc r y s t a ls y s t e m ，s p e c i f i cr o t a t i o no fq u a r t z c r y s t a l ，r e l e v a n tk n o w l e d g eo fr o t a t o r v d i s p e r s i o n ，m a g n e t o o p t i c a lr o t a t i o n , f r e s n e la s s u m p t i o ne t c r e f e r e n c et os p i r a lm o d e lo fo r g a n i cl i q u i dt h e o r y , t h ei n t e r n a lr e l a t i o nb e t w e e nt h eo p t i c a l a c t i v i t yo fq u a r t zc r y s t a la n dm i c r o s p i r a ls t r u c t u r ei sa n a l y z e d w i t hp i t c hc h a n g i n g d i r e c t i v i t y a n dt h e r m a le f f e c to fs p e c i f i cr o t a t i o no f q u a r t za sw e l la si t sd i f f e r e n c ef r o ms p e c i 丘cr o t a l t i o no f t h eo r g a n i cl i q u i da r ee x p l a i n e d h e l i c a ll e n g t h ，i sd e f i n i t ea tac e r t a i nt e m p e r a 【t u r ea n d t l l e j a r g e s tp i t c hg o e sa l o n gt h eo p t i c a la x i s ，w h i c hi si n d e p e n d e n to n s p i r a ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co f q u a r t zc r y s t a l t h i sj u s tr e f l e c t st h ec h a r a c t e r i s t i c st h a to p t i c a lr o t a t i o ni st h em o s to b v i o u sa n d s p e c l t l cr o t a t i o nl st h el a r g e s t a sp r o p a g a t i o nd i r e c t i o nd e v i a t e sf r o mt h eo p t i c a la x i s p r o j e c t i o n o f p i t c ha l o n gt h el i g h tp r o p a g a t i o nd i r e c t i o na n ds p e c i f i cr o t a t i o ng e ts m a l l e r , t i uo p t i c a lr o t a t i o n o tv e r t i c a lo p t i c a la x i sd e c r e a s e st oz e r o w h e nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，t h e r m a l e x p a l l s i o n 锄s e sa i l di n t e m a la t o m i cd i s t a n c ei n c r e a s e a sa r e s u l t ，t h ep i t c hsg e t sl a r g e ra n ds p e c i f i c r o t a t i o ni n c r e a s e sr e l e v a n t l y t h i si n t e r p r e t a t i o ni sw e l lc o n s i s t e n tw i t h t e s tr e s u l t sa b o u ts p e c i f i c r o t a t i o n a n e x p l a n a t i o na b o u tt h ec a u s eo f o p t i c a la c t i v i t yh a sb e e n 西v e n 、) l ，i n l m i c r o 。e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y t h ec a u s eo fo p t i c a la c t i v i t yo f q u a r t zc r y s t a li s 觚e rv e r i f i e d i t i ss u p p o s e dt h a ta n t i s y m m e t r yr o t a t i o nt e n s o r s 二i s t h eb a s i cr e a s o nf o ro p t i c a lr o t a t i o no f t 1 1 e m a t e r i a la n dw h e na l le l e m e n t so fm a t r i x s 品o rt h ec o r r e s p o n d i n gr o t a t i o nv e c t o rg 8 a r en oa t z 啪，t h em a t e r i a lp e r f o r m so p t i c a la c t i v i t y q u a r t zc r y s t a lb e l o n g st oh e x a g o n a lc r y s t a ls y s t e m ， w h o s e g 叩h a st h r e ei n d e p e n d e n te l e m e n t s e l e m e n t so f g 8 d e c r e a s e s y m m e t r yo fc r y s t a lc a nm a k ei n d e p e n d e n t o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i so ft r a n s m i t t a n c eo fq u a r t zc r y s t a l ，p o l 撕z a t i o n i n t e r 士e r e n c es p e c t r u mr a n g ef r o m3 0 0 n mt o 15 0 0 n mi sm e a s u r e dw i t h d o u b l eb e 锄p 抽 m e a s u n n gm e t h o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e a kt r a n s m i s s i o n 例oi sl o wd u et o o b v i o u sa b s o r p t i o no f q u a r t zi nt h eu l t r a v i o l e tr e g i o n t h i si sd i f f e r e n t 丘d m 也e o r e t i c a lr e s u n st o s o m ee x t e n t a n dp e r i o do fs p e c t r a ll i n e i ss m a l lb e c a u s es p e c i f i cr o t a t i o no fq u a r t zc r y s t a l c h a n g e sg r e a t l yw i t hw a v e l e n g t hi nt h i sr e g i o n , w h i l ep e r i o do fs p e c t r a ll i n ei sl a r g ei ni n f r a r e d ： 一一 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 页 l i g h td i s t r i c tb e c a u s et h ec h a n g er a t eo fs p e c i f i cr o t a t i o nw i t hw a v e l e n g t hi sa l m o s tz e r o i n v i s i b l er e g i o n , t h ep e a l 【t r a n s m i s s i o nr a t i oi s6 0 o rs o b e c a u s eo fs p e c i f i cr o t a t i o nc h a n g i n g l i t t l ew i t hw a v e l e n g t h ，t h i c k n e s so fc r y s t a lh a saa p p a r e n t l yi m p a c to np e r i o do fs p e c t r a ll i n e a t e s ti sd o n ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew i t h i n3 0 0 1 5 0 0 n m a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fs p e c t r a l l i n e ，a st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，t h e r ei sas h i f to ft h es p e c t r a ll i n et o w a r d sl o n gw a v e f u r t h e r a n a l y s i ss h o w st h a tt h em a i nc a u s ei st h a ts p e c i f i cr o t a t i o no fq u a r t zc r y s t a lg e t sl a r g e 、) ，i 吐l t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g t h ei n c r e a s eo fs p e c i f i cr o t a t i o nm a yb ee x p l a i n e db ys p i r a lt h e o r yh e r e , i e i ti sb e c a u s et h e r m a le x p a n s i o nr e s u l t si np i t c hi n c r e a s i n gi nm i c r o s t r u c t u r e t h et h i r dc h a p t e ra n dt h ef o u r t hc h a p t e ra r em a i n p a r to ft h ep a p e r , a n dt h e ya r ea l s om a i n i n n o v a t i o np o i n t s ： 1 c h a r a c t e r i s t i c so fq u a r t zc r y s t a lo p t i c a la c t i v i t yi se x p l a i n e db ym e a r l so fs p i r a lt h e o r y p i t c hc h a n g ei nm i c r o s p i r a ls t r u c t u r eb e t t e ri n t e r p r e td i r e c t i v i t ya n dt h e r m a le f f e c to fs p e c i f i c r o t a t i o no f q u a r t za sw e l l 嬲i t sd i f f e r e n c ef r o ms p e c i f i cr o t a t i o no ft h eo r g a n i cl i q u i d 2 p o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c es p e c t r u mo fq u a r t zc r y s t a li nv i s i b l er e g i o ni sm e a s u r e d 、订t h d o u b l eb e a mp a t hm e a s u r i n gm e t h o da n da n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a ls p e c t r a ll i n ei sp r e s e n t e d a c c o r d i n g t ot h er e s u l t s ，t h i c k n e s so f c r y s t a lh a sas i g n i f i c a n t l yi m p a c to np e r i o do fs p e c t r a ll i n e i nv i s i b l er e g i o na tr o o mt e m p e r a t u r eb e c a u s es p e c i f i cr o t a t i o nc h a n g e sl i t t l ew i t hw a v e l e n g t h w h i l et h e r ei sas h i f to ft h es p e c t r a ll i n et o w a r d sl o n gw a v ea st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s f u r t h e r a n a l y s i ss h o w st h a tt h em a i nc a u s ei st h a ts p e c i f i cr o t a t i o no fq u a r t zc r y s t a lg e t sl a r g ew i t h t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g a n dt h e r m a le x p a n s i o nr e s u l t si np i t c hi n c r e a s i n gi nm i c r o s t r u c t u r e t h e s p i r a lt h e o r yi sv e r i f i e d s t u d yo f b o t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lt e s t si sm a d ei nt h ep a p e r i tp r o v i d ea r e f e r e n c et os t u d y i n gt h en a t u r eo ft h eo p t i c a la c t i v i t yo f q u a r t zc r y s t a la n dr e l e v a n ta p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：p h y s i c a lo p t i c s ；q u a r t zc r y s t a l ；o p t i c a la c t i v i t y ；h e l i x ；r o t a t i o nt e n s o r ；p o l a r i z a t i o n i n t e r f e r e n c e ；t r a n s m i s s i o nl i n e s ；t e m p e r a t u r ee f f e c t 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 页 目录 第一章绪论1 第二章石英晶体旋光性的基本理论一2 2 1 物质自然旋光函2 2 2 磁致旋光4 2 3 石英晶体的晶系及微观结构4 2 4 石英晶体的光学性质及相关应用5 2 5 菲涅尔假设5 第三章石英旋光性与石英微观结构关系的分析8 3 1 螺旋结构与有机质旋光性关系的分析8 3 2 石英晶体旋光性与螺旋结构关系的探索分析9 3 3 石英旋光性电磁理论解释1 0 第四章石英旋光晶体偏光干涉谱线的测试分析1 3 4 1 测试理论1 3 4 2 实验测试系统1 4 4 3 常温状态下的测试及所得谱线分析1 7 4 4 温度变化状态下的测试及所得谱线分析1 9 参考文献2 4 在校发表的学术论文2 6 致谢2 7 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 页 第一章绪论 随着2 0 世纪6 0 年代激光的问世及应用带动了偏光技术和偏光器件迅速发展。偏光技 术在物理、化学、生物、信息、天体等领域的应用越来越明显。石英晶体作为一种天然分 布广泛，人工生长也很成熟的双折射晶体材料，以其良好的机械加工性能和光学性能在很 多领域有广泛应用。石英晶体可以用来制作石英振子、延迟器件、旋光器件、光纤以及激 光倍频器件等。 对于石英晶体双折射性的研究报道以及以石英为材料加工的相位延迟器1 1 - 5 退偏器【6 塔j 滤波遥感【9 。1 1 】的相关研究已经非常多。旋光性作为石英晶体的重要光学性质是a r a g o ( 阿拉 戈) 和j b b i o t ( 毕奥) 在1 8 1 1 年和1 8 1 5 年发现的。后来菲涅尔在1 8 2 5 年首先认识到物质 的自然旋光性起因于圆双折射，给与了很好的解释。随着电磁理论和光的波粒二象性理论 的确立，利用微观电磁结构理论对石英晶体的旋光性又进一步分析解释。石英的微观螺旋 结构与旋光性的内在关系有待进行深入探索分析。近年来，芬兰欧鲁大学的c h u ny e 【l 厶1 3 j 报道了一种利用材料的旋光色散特性研制而成的新型可调谐光学滤波器和旋光晶体制作 的光隔离器都是石英旋光性的重要应用。晶体光学器件在使用过程中会受到温度场及其他 环境场的影响，对于石英晶体的热膨胀率，双折射率受温度【1 4 j 影响的研究非常多，石英旋 光率受温度影响的研究也非常重要。本文系统研究了下工作： ( 一) 整理研究了石英晶体微观结构、石英旋光率的有关知识如石英晶体所属晶系、原子 相对排列方式、常温下旋光率、菲涅耳假设、旋光色散情况。 ( 二) 借鉴有机液体大分子的旋光性与分子螺旋结构的内在关系探索分析石英晶体旋光 性与石英螺旋结构的关系。通过对螺旋理论在有机化学中应用分析，明确了液体旋 光与物质微观结构的关系，并对这种关系作了研究，将其应用到石英晶体旋光性的 解释中。微观电磁理论解释详细分析了石英晶体旋光性的电磁理论基础，明确了反 对称旋性张量是旋光性的根本原因。 ( 三) 对石英旋光晶体透射比进行了理论分析，利用偏光干涉法测试了常温状态下在 3 0 0 - - 一1 5 0 0 n m 特定厚度的石英旋光晶体的透射谱线。对所得曲线分析了同一晶体在 不同波段曲线的差异，以及不同晶体由于晶体厚度不同导致的谱线差异。 ( 四) 利用岛津u v - 3 1 0 1 p c 分光光度计测试了在3 0 0 1 5 0 0 n m 温度变化状态下石英旋光 晶体的透射谱线对所得谱线进行分析。通过分析所得谱线表明：随着温度升高，透 射谱线向长波方向漂移，进一步分析得出漂移的主要原因是由于温度升高导致石英 晶体内部螺旋结构发生了变化，进而引起晶体螺旋结构相关参数变化导致了旋光率 变化。 【 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 页 第二章石英晶体旋光性的基本理论 2 1 物质自然旋光 a r a g o ( 1 珂拉戈) 和j b b i o t ( 毕奥) 在1 8 1 1 年和1 8 1 5 年发现，当线偏振光沿光轴方向 射入某些晶体( 如石英，二氧化碲等) 时偏振方向随着光传播方向逐渐发生旋转，这一现 象就称为旋光性也称旋光性。后来发现除了某些晶体外，蔗糖，松节油，氯酸钠等许多化 学溶液也具有自然旋光性。 图2 1 1 旋光性示意图 自然旋光性有以下一些特点： ( 1 ) 线偏振光振动方向旋过角度日与光在旋光介质中的传播距离d 成如下线性关系 0 = a d ( 2 1 1 ) 式中口为旋光率( r o t a t o r yp o w e r ) 或旋光系数。它与物质的种类以及光的频率以及温度 环境等有关。一些物质旋光率如表2 1 1 所示。 表2 1 1 几种物质常温下的旋光率 物质 a ( ”m ) 仅( m m ) 物质 a ( z 册) a ( ：m 所) 0 3 6 9 85 8 70 7 5 0 01 8 0 硒 0 4 4 1 62 6 2 81 0 0 0 0 3 0 0 4 8 8 01 8 5 06 04 0 死d 2 碲 0 5 1 4 51 5 5 9 51 0 01 5 0 6 3 2 88 6 9 0 1 0 6 42 5 6 0 0 4 8 5 09 5 0 0 4 9 0 07 0 0蔗糖0 5 8 9 3 6 6 4 6 乡d m ( g c m 3 ) a g g a s 2 0 4 9 5 06 0 0 0 5 0 0 05 0 0 0 5 0 5 04 3 0 一 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第3 页 物质 允( “所) a ( ；m 脚)物质 z ( u m ) 口( 聊) 0 1 7 5 04 5 3 5 o 5 1 4 52 8 5 0 9 0 2 5 7 11 4 3 2 6 60 5 4 6 1 2 5 5 3 8 0 3 4 4 17 0 5 8 70 5 8 9 02 1 7 4 9 0 3 8 2 0 5 5 6 2 50 6 5 6 2 1 7 3 1 8 石英( d 2 )石英( s 0 2 ) 0 4 0 4 74 8 9 4 50 6 7 0 81 6 5 3 5 0 4 3 0 7 4 2 6 0 40 7 2 8 1 1 3 9 2 4 0 4 8 6 13 2 7 7 30 7 6 0 41 2 6 6 8 0 4 8 8 03 2 3 3 10 7 9 4 81 1 5 8 9 ( 2 ) 旋光率有很明显的色散效应1 6 1 ，一般情况波长越短旋光率越大。常温下石英晶体旋光 色散图像如图2 1 2 。 e e c c o 磊 芑 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 1 2 常温下石英晶体的旋光色散曲线 ( 3 ) 自然旋光分左旋和右旋两种，定义为当迎着出射光线看时若振动方向顺时针旋转称为 右旋，逆时针旋转则称为左旋。许多有机物存在左旋和右旋的两种异构体。 ( 4 ) 晶体旋光性主要是沿光轴方向上晶体的特性，其他方向由于双折射现象明显，只有沿 光轴方向上没有双折射现象但旋光现象明显。 ( 5 ) 具有旋光性的有机液体在生物领域和药物化学【1 7 】领域有很广泛的研究应用。 2 2 磁致旋光 在外加磁场作用下，某些原本不具有旋光性的介质变成旋光物质，这被称为磁致旋光， 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第4 页 这种现象首先由法拉第于18 4 5 年发现的，所以也称法拉第磁致旋光效应。 磁致旋光主要性质如下： ( 1 ) 旋光角9 与外加磁场b 有如下关系 0 = v b d( 2 2 1 ) 其中y 是韦尔德( v e r d e t ) 常数【1 引，它因光的波长，介质种类及环境温度而异，可有实 验测定，矿值一般都比较小。b 是磁场强，d 是介质长度。 ( 2 ) 磁致旋光具有不可逆性，即当一束线偏振光往返通过磁场区时，旋转角度加倍，这与 物质自然旋光性截然不同。 ( 3 ) 法拉第隔离器和磁光调制器。利用磁致旋光的不可逆性可以制造光隔离器，设定特定 磁场，实现偏振光往返旋转角为9 0 。，从而使反射光消光无法进入前级干扰，可以保证 多级系统单向畅通。磁光调制器是通过对输入电信号的改变控制输出光强的改变。 2 3 石英晶体的晶系及微观结构 石英的化学成分是s i 0 2 ，属于正单轴晶。发育成柱状，柱面横纹发育，外观上呈假六 方双锥。单形有菱面体r 1 0 1 1 ) 、六方柱m 1 0 1 0 、三方双锥s 1 1 2 1 ) 、三方偏方面体x 5 1 6 1 。 自然界中存在大量的石英矿，无色透明的纯石英称为水晶，含有不同杂质后可以呈现不同 的颜色。熨0 ，的结晶有石英，鳞石英和方石英三种，其中石英最稳定，常用与制造光学器 件和光电子器件以及工艺饰品。 图2 3 1 石英晶体的外观 在晶体物理学中，将晶体分为七种晶系， o 表示硅原子 图2 3 2 石英晶体的微观结构图 石英属于六方晶系【1 9 。2 0 】。石英晶体的微观结 构如图2 3 2 所示，圆圈代表硅原子、黑点代表氧原子，氧硅原子交替出现，沿光轴方向 观察石英空间结构，氧、硅原子都不在一个平面而是呈现螺旋式的排列。组成原子晶体的 原子一般半径小，原子外层电子较多，硅的最外层有4 个电子，形成4 个共价键且具有明 显方向性。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第5 页 2 4 石英晶体的光学性质及相关应用 石英晶体双折射率大，光学性能稳定，机械强度大，面形好，不会出现多次反射，紫 外和红外透射区很宽。结晶石英结构均匀，除非在红外区，结晶石英不是多色的，因而沿 着两个轴的方向强度透射是相同的。石英晶体是制作棱镜式偏光器件和延迟器件的主要材 料。尤其是沿光轴方向平行切割制成相应的1 4 波片或1 2 波片。 当线偏振光入射至波片时，分解成0 光和e 光，在晶片内传播速度不同从而产生相位 差为： 9 ” 6 = ( 刀。一，z 。) d ( 2 4 1 ) 其中，艿是产生的相位差，吃和分别是e 光和。光对应的折射率。 当垂直于石英晶体光轴方向切割时，此时双折射率为0 ，具有明显的旋光性。利用旋 光性和旋光色散效应可以制作滤波器、激光倍频、光隔离器等。石英晶体不同方向对应的 不同折射率可以体现不同方向切割具有不同光学性质，如表2 4 1 所示1 2 l j 表2 4 1 石英晶体特殊方向对应波长的折射率 九( 姗z ) 方向 行” j 光轴 吃2 1 5 6 7 1 1n o = 1 5 5 8 1 5吃- n o = 0 9 5 6 x 1 0 。2 0 3 9 5 8 | l 黼 r = 1 5 5 8 1 0 2 1 5 5 8 2 1 n r 一珞_ 0 1 1x l o 一 上光轴 心2 1 5 5 1 8n o = 1 5 4 2 7n e 一- o 9 1x l o 。2 0 6 3 2 8 | l 黼 n r = 1 5 4 2 7 5 3n t2 1 5 4 2 6 8 7n ，一n t = o 6 6 x 1 0 。 上光轴 心2 1 5 4 8 1 1n o = 1 5 3 9 1 7 e n o = o 8 9 4 x 1 0 之 0 7 6 2 0 | l 黼 玩2 1 5 3 9 1 4 n t 2 1 5 3 9 2 0n r n t = o 6 x 1 0 4 目前，石英晶体在通讯方面的应用更加广泛，那就是通过特殊提纯加工制成光纤用于 信息传输。 2 5 菲涅尔假设 菲涅尔早在1 8 2 5 年首先认识到物质的自然旋光性起因于圆双折射，菲涅尔根据力学 中沿直线的简谐运动可以分解为两个同频率、但又沿相反方向旋转的圆周运动的合成这一 原理，旋光现象解释如下： ( 1 ) 沿晶体光轴传播的平面偏振光可以分解成两个振幅相同、频率相同沿相反方向旋转的 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第6 页 圆偏振光。 ( 2 ) 这两个圆偏振光( 又称左旋和右旋) 在晶体中具有不同的相速度，最终导致线偏振光 射出晶体后，合成后的出射光的振动面旋转一定的角度。 图2 5 1 线偏振由圆偏振合成图 如上图2 5 1 所示：当线偏振光刚入射晶体时可看成沿相反方向旋转的两个圆偏振光 的合成，它们有相同的相位，经过一定的传播距离后，由于二者相速不同，从而有一定的 相位差，导致它们合成的平面偏振光的振动面相对于入射时转过一定角度。 用n , n z 分别表示右旋和左旋偏振光的折射率，这两束圆偏振光经过d 距离后所产生的 相位差为车( n 1 一n r ) d ，根据几何知识，振动面转过的角度口为竿( j i l lm f l r ) d ，因此旋光率 l几 可以表示为： a = 0 d = ( 吩一珥) ( 2 5 1 ) 几 对于右旋晶体珂， ，z ，。在多数晶体中刀，一1 r 5 0 。m m ，并且由公式( 4 1 6 ) 可知o t 随a 的变化率增大而 导致谱线周期变的非常小。 4 2 实验测试系统 分光光度计为常用的分析材料透射光谱所使用的仪器，这种仪器具有灵敏度高，测定 速度快，应用范围广等优点【3 0 1 ，其中的紫夕f 可见分光光度技术更是研究工作中必不可少的 基本手段之一。本文对石英晶体旋光透射曲线进行了测量分析，利用的就是岛津 u u 31 0 1 p c 分光光度计。 岛津u v - 3 1 0 1 p c 分光光度计能测试固体、液体等样品的反射、透射、及吸收光谱。测 量的波长范围为：1 9 0 n m 3 2 0 0 n m 。仪器的基本结构包括光源、单色器、样品室、检测器、 显示装置五部分。u v - 3 1 0 1 p c 分光光度计的详细结构图如图4 2 1 所示 u v - 3 1 0 1 p c 分光光度计采用的是双光路测量方式，测量系统框图如图4 2 1 所示 具体工作原理为：由氘灯( d 2 ) 或钨灯( w 1 ) 发出的光经过光源转换镜m 1 汇聚， 通过一组滤光片，到达具有固定高度和宽度的狭缝s 1 。光源的转换自动进行，其中d 2 灯 的范围：1 9 0 n m 转换波长，w 1 的范围：转换波长3 2 0 0 n m 。转换波长在2 8 2 3 9 3 n m 之间 任意选定。分光光度计中，每次开启电源，电源转换镜的角度都自动设定在最大光强位置。 白光通过狭缝s 1 ，进入第一个包括由3 块凹面光栅( g i , - , g 3 ) 的预单色光栅( 详细参数见 表4 1 ) ，根据所选波长，其中一块光栅被自动选定，于是光束g 1 、g 2 或g 3 衍射，散射 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第1 5 页 m d 2 ：d e m e f i a m l a m p w 1 ：h a l o g e nl a m p g 1 g 3 ：g r a t i n g so 伍= r s tm o n o e h r o m a t o r g 4 - - g 6 ：g r a t i n g s2 n dm o n o c h r o m m o r s 1 ： e n t r a n c es l i t s 2 ：i n t e r m e d i a t es l i t s 3 ：e x i ts l i t w 1 w 2 ： w 3 ： m 1 】1 3 ： r e f ： s a m ： p b s ： 图4 2 1u v - 3 1 0 1 p c 光学系统框图 3 0n l nd i a w i n d o w sp l a t e s 4 0n l r f ld i a w m d o w sp l a t e s m i 肿r sfm 1 1i sd e t e c t o r s w i t c h i n gm i r r o r ) r e f e r e n c ec e l l s a m p l ec e l l p b ss e l l 到光栅s 2 ，单色光栅通过狭逢s 2 ，进入第二个由3 块平面光栅( g 4 - 4 3 6 ) 组成的主单色 器( 详细参数见表4 2 1 ) ，然后进入离轴抛物面反射镜m 2 ，第二单色器光栅的转换同第一 单色器的波长范围。经第二单色器散射的光束被聚焦至出口狭逢s 3 ，从狭逢出射的单色光 束经m 3 反射，进入由m 4 - m 6 和一遮光器c h 组成的双光束遮光部分。在此，光束被遮 光器c h 分为样品光束和参考光束( 被斩光器调制为5 0 h z ) ，然后通过样品到达探测器。 进入探测器的光束被光电倍增管p m ( 紫外区到可见光：1 9 0 n m - 8 0 0 n m ) 或硫化铅p b s 光 电池( 近红外区8 0 0 n m - 3 2 0 0 n m ) 接收，探测器的转换由m 1 选择，转换波长在7 5 0 n m - 8 9 5 n m 任意选定。系统除光源及转换镜外，所有光学元件的窗口材料( 石英) 被密封，该材料在 整个波长范围内有极好的透光性能。探测器输出的电信号经放大滤波等处理进入c p u 进行 数据处理，给出测试曲线和结果。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 6 页 表4 2 1 分光光度计内部光栅参数 光栅槽数波长范围 g 1 1 0 0 0 线n m 19 0 n t o - 探测器转换波长 g 22 5 0 线n m探测器转换波长17 7 2 8 r i m g 32 5 0 线n m17 7 2 8 n m - 3 2 0 0 n m g 41 0 0 0 线n m1 9 0 n m - 探测器转换波长 g 53 0 0 线n m 探测器转换波长17 7 2 8 n m g 63 0 0 线n ml7 7 2 8 n m - 3 2 0 0 n m 岛津u v - 31 0 1 p c 分光光度计的光学系统简图如图4 2 2 所示 图4 2 2 岛津u v - 3 1 0 1 p c 分光光度计光学系统简图 l 一光源2 一准直透镜3 一单色仪4 一半反一半透棱镜 5 一样品室6 一探测器7 一反光镜8 一中央处理器 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 7 页 4 3 常温状态下的测试及所得谱线分析 实验过程中为了避免光源不稳定性影响，并消除起