2022-2023学年高二物理竞赛课件：旋光效应与圆双折射

旋光效应与圆双折射 旋光效应与圆双折射 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 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) (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/nm 794.76 760.4 728.1 670.8 656.2 589.0 546.1 a /[(o)·mm-1] 11.589 12.668 13.924 16.535 17.318 21.749 25.538 波长/nm 586.1 430.7 404.7 382.0 344.1 257.1 175.0 a /[(o)·mm-1] 32.773 42.604 48.945 55.625 70.587 143.266 453.5 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 (3) 溶液的旋光效应 (4) 液晶的旋光效应 自然旋光；电致旋光。 (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。 二、 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，vL>vR，nL<nR；对于右旋晶体，vL<vR，nL>nR。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) 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(nR<nL)；L：左旋晶体棱镜(nR>nL) 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： ① 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。 ② 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。 (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/nm no ne nL nR 396.8 1.55815 1.56771 1.55821 1.55810 762.0 1.53917 1.54811 1.53920 1.53914 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 三、 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/nm V/(o) ·T-1·m-1） 锗酸铋（BGO）晶体 室温 632.8 1.797×103 磁光玻璃SF-57 室温 632.8 1