旋光效应_学士毕业论文

旋光效应_学士 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 目录 摘要 ....................................................................................................................... 1关键词: ............................................................................................................... 1 Abstract: ................................................................................................................ 1 Key words: ............................................................................................................ 1 1.引言 .................................................................................................................... 2 1.1旋光问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的研究背景 ..................................................................................... 2 1.2旋光效应的研究现状 ..................................................................................... 2 2旋光理论基础 .................................................................................................... 3 2.1菲涅耳对旋光性的解释 ................................................................................. 4 2.2光的偏振理论 ................................................................................................. 7 2.3偏振光的旋光效应 ....................................................................................... 12 2.4旋光色散理论 ............................................................................................... 15 旋光问题的应用 .............................................................................................. 17 3. 3.1微位移测量 ................................................................................................... 17 3.2糖浓度检测 ................................................................................................... 19 3.3油雾浓度检测 ............................................................................................... 21 3.4光电装备隐身技术 ....................................................................................... 22 4.总结 .................................................................................................................. 24 参考文献:............................................................................................................ 26 致谢 ..................................................................................................................... 27 摘要: 旋光问题是光学研究的一个基本问题，旋光效应已渗透到很 多学科中，具有广泛的应用.本论文首先对旋光的基本理论进行综 述，包括菲涅耳对旋光性的解释，偏振光理论，偏振光的旋光效 应，旋光色散理论。最后对旋光效应的应用作了简要的介绍。主 要介绍了微位移测量，糖浓度检测和油雾浓度检测等应用。 关键词:旋光效应;菲涅耳;偏振光;自然旋光;磁致旋光;旋 光色散 Abstract:The study of optical rotation is a basic study in optical research .With the widespread applications, the optical rotation has spreaded into lots of subjects.Frist this essay summarises the the basic theories, including Fresnel on optical rotation、the theory of polarization of light、optical rotation effect of polarized light 、the theory of dispersion optical rotation . Final, this essay introduces the applications of the optical rotation effect further. In terms of the application of the optional rotation, this paper mainly introduces the micro displacement measurement, sugar concentration detection and oil mist concentration detection applications. Key words: optional rotation effect;Fresnel;polarized light natural optical;magnetic rotation;rotatory dispersion 1 1.引言 1.1旋光问题的研究背景 1811年,阿喇果(Jago)在研究石英晶体的双折射特性时发现:一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时,其振动平面会相对原方向转过一个角度。由于石英晶体是单轴晶体,光沿着光轴方向传播不会发生双折射,因而阿喇果发现的现象应该属于另外一种新现象,这就是晶体中的旋光现象。稍后,比奥(Biot)在一些蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。 1.2旋光效应的研究现状 旋光问题是光学研究的一个基本问题，旋光效应具有广泛的应用，近年来人们对旋光问题在理论上和应用上进行了广泛的探 [1,14]讨，已取得了许多有价值的成果. 2004年，尹鑫等研究了晶体的旋光性与电光效应的交互作用以及此交互作用对旋光晶体电 [1]光Q开关的影响; 黄海等对磁致旋光效应和磁光玻璃磁致旋光效应的机理进行了探讨，对ZF1、ZF6磁光玻璃的磁致旋光效应分别进行了实验研究,给出偏振面旋转角与磁感应强度的关系,计算 [2]出波长不变情况下不同磁感应强度的费尔德常数(Verdet);张为权导出了的斜入射时晶体的相移公式，并用其研究了相移随入 [3]射角和方位角的改变. 2005年，高军伍等提出一种利用磁致旋 [4]光效应测量脉冲大电流的方法;田召兵等通过对硅酸镓镧旋光晶体中电光效应和旋光效应对光的偏振态影响的研究,推导出了处于外加电场中的旋光晶体中光的传播方程的表达式,以及透过光强的表达式,并利用几种简单的光学器件在实验上得到了很好的 [5]验证.2006年，李彪等研究了基于晶体旋光效应的近场光学空间滤波问题，其指出采用偏振光检偏法选择不同空间频率光束的通过与阻挡,可以实现激光光束的近场空间滤波,用多个滤波器串接 [6]构成滤波器组,可提高光束空间窄带滤波性能. 2007年初，任广军等利用矩阵方法分析了液晶的旋光效应,导出了液晶旋光的矩 2 阵表示，利用JG-3型连续可调谐磁场仪搭建实验装置,红外1350nm激光器做光源,测量了偏振光通过磁场作用下BL-009型向列相液晶的旋光角,详细分析了磁场对液晶旋光性能的影响，这对更好地 [7]研究液晶的旋光特性以及液晶器件具有重要的参考价值.2008年，王益军等应用法拉第磁光效应原理,提出利用磁致旋光估测磁 [8]场的方法,提高了磁场测量的效率,获得了磁场的直观分布.2009年，罗涛等通过对左旋和右旋偏振光判别方法的研究，推导出圆偏振光的合成条件，并且得到了平面偏振光合成椭圆偏振光时的长短轴公式,以及椭圆偏振光左旋和右旋在相位差上的判别方法[9];王建华等研究聚合物分散液晶旋光性能，用旋光仪测量温度作用下手性聚合物分散液晶的旋光性变化,结果与de Vries理论相一[10]致。2010年，戴玉梅等激光综合光学实验仪拓展应用的研究，完成利用激光综合光学实验仪测得蔗糖溶液的旋光度与其浓度成正比关系,并利用该关系进行未知浓度蔗糖溶液浓度测量的拓展实 [11]验研究;张昕明等对近红外波段石英晶体旋光率的测试研究， [12]测出了石英晶体在近红外波段的旋光率;刘竹琴等研究了利用光强分布测试仪测量蔗糖溶液的旋光率及其浓度，用光强分布测试仪测量光强, 采用数字检流计采集数据, 通过马吕斯定律计算出 [13]旋光度, 从而求出蔗糖溶液的旋光率及其浓度; 刘建霞等研究石英晶体旋光折射率特性，分析了在 834,841 nm 波长处右旋光和左旋光的折射率差值的特性，并通过实验验证，得出了在该波长范围内右旋光和左旋光的折射率差值近似为一个常数，旋光率 [14]与右旋光和左旋光折射率差值近似无关 2旋光理论基础 本章介绍了偏振光以及旋光性质的理论基础，以及整个测试系统所需要的基本公式。 3 2.1菲涅耳对旋光性的解释 1.直线上的简谐振动可以分解成左、右旋运动 为了说明旋光现象是怎样 产生的，需要先进一点预备知 识。首先要掌握两个同频率的垂 直简谐振动和合成为一个圆运 动的问题。或者反过来说，一个 圆运动可以分解成一对相互垂 [1~2]直的同频率简谐振动。这里 我们要讨论的问题是一个直线 简谐振动可以分解成一对圆运 ,, EE动。如图2.1，和是两个RL 大小相等二不变的旋转矢量，他们的角速度大小相等方向相反。设在t=0时刻它们沿某一方向重合，由于过任意时间t后两个矢量 , E的角位移也大小相等方向相反，它们的合矢量总保持在原来的 , E方向上。这时的瞬时值为: E,2Acos,t ,, EE由此可见，，来两个旋转矢量合成一个沿直线作简谐振动的RL ,,, EEE矢量，其振幅为2A，方向永远在，瞬时位置的分角线上。 RL 上述结论也可以反过来叙述，即一个沿直线作简谐振动的矢,,,EEE量可以分解成一对左、右旋的旋转矢量，，它们的大小是RL ,, EE矢量的振幅之半，角速度的大小是矢量的角频率。 , 运用这一原理到光学，就是线偏振光可以分解成左、右旋圆偏振光，而左、右旋圆偏振光可以合成为线偏振光。 4 2旋光性的解释 为了解释旋光性，菲 涅耳作了如下假设:在旋 光晶体中线偏振光沿光轴 传播时分解成左旋光和右 旋光(L光和R光)，它们 的传播速度,略有不,,LR 同，或者说两者的折射率 不同，因而经过旋光晶体 片时产生不同的相位滞 后: ,,22,, ,nd,ndLLLR,, 式中,为中空波长，d为旋光晶片的厚度。 圆偏振光的位相即旋转电矢量的角位移，位相滞后即角度倒 ,, EE转。当圆偏振光经过晶片时，在出射面?上电矢量，的瞬时RL位置(见图2.2(b))比同一时刻入射界面?上的位置(见图2.2 , E(a))分别落后一个角度和。对于L光，在界面?上的位,,LLR 置处于同一是界面?上位置的右边，即它需要经过一段时间向左 , E转过的角度才是此时刻界面?上的位置。同理，R光中在界面,RL ?上的位置处于同一时刻在界面?上位置的左边，相差一个角度 [1]。 ,R 为了简便，设入射的线偏振光的振动面在竖直方向，并取它 , E在入射界面?上的初位相为0，即在t=0时刻入射光中电矢量的 , EL方向朝上并具有极大值。因此将它分解为左右旋圆偏振光后，，,,ERE此时刻的瞬时位置都与一致，也是朝上的。现在我们来考虑 5 ,, EE同一时刻出射界面?上的情形，在这里和分别位于竖直方向RL 的右边和左边一个角度和。当光束穿出晶片后左、右旋圆偏,,LR 振光的速度恢复一致，我们又可以将它们合成起来考虑。如前所 ,, EE属，它们合成为一个线偏振光，其偏振方向在，瞬时位置的RL 分角线上。从图2.2(b)不难看出，次方向相对原来的竖直方向 ,，其大小为 转过了一个角度 ,1,,, ，，，，,,,n,ndRLRL2, ,上式表明，偏振卖弄转动的角度是与旋光晶片的厚度d成正比 ,,的。当时，>0，晶体是左旋的;当时，<0，晶n,nn,nRLRL 体是右旋的，这样，晶体的旋光性便得到了解释。 3.菲涅耳假设的实验验证 菲涅耳在提出上述假设的同时，设计了如图2.3所示的复合棱镜验证了它。他起初企图用单个石英棱镜来光差石英中线偏振光分解为左、右旋圆偏振光的双折射现象，但由于和的差别太nnLR小而未获成功。于是他就用左、右旋晶体制成棱镜，交替排列起来，成为 图2.3的复合棱镜，其中横线代表光轴方向。如果线偏振光在石英晶体中确实分解为速度不同的左、右旋圆偏振光，在这种装置中光线每次遇到倾斜的棱镜界面时，R光和L光传播方向的差别都会进一步增大。最后用圆偏振光和椭圆偏振光的检验方法来检验出射的两光束的偏振状态， 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 它们确实是左、右旋 图2.3 菲涅耳复合棱镜 6 的圆偏振光。 2.2光的偏振理论 1.光的偏振现象及其应用 光的干涉和衍射现象表明了光的波动性,而光的偏振性则表明了光及所有电磁波是横波。实验表明,只有横波才有偏振现象。麦克斯韦的电磁理论,证明了光波是一种横波,即它的光矢量始终是与传播方向垂直的。如果在光波中,光矢量的振动方向在传播过程中保持不变,只是它的大小随位相改变,这种光称为线偏振光。线偏 [3]振光的光矢量与传播方向组成的面就是线偏振光的振动面。 通常太阳、白炽灯等普通光源包含大量辐射原子和分子,在同一时间发出具有不同初相位和振动方向的光波,光矢量在空间无规则地变化,从而不显示任何方向特性,也就表示为非偏振特性,这些光都是非偏振光。平常所见的自然光是各种特性在各个方向都完全相同的均匀的光。自然光通过一些人造偏振器件后,能得到偏振光的输出。 偏振是光的一个重要特性,人类对光的偏振特性,早就作了大量的研究。由于激光器的问世,能够得到单色性好、亮度高的偏振光。人们发现物质中的粒子(原子与分子)对于不同偏振态的光波具有不同的响应,使得偏振光广泛用于探索物质结构与性质的研究工作。此外,偏振光的获得与变换还广泛应用在各种应用技术中。 2.偏振态的定义与分类 平面光波是横电磁波,其光矢量的振动方向与光波传播方向垂直。而在垂直方向的平面内,光振动方向相对光传播方向是不对称的,这种不对称性导致了光波性质随光振动方向的不同而发生变化。我们将这种光振动方向相对光传播方向不对称的性质,称为光的偏振特性。它是横波区别于纵波的最明显标志。 “偏振状态”有两重含义,其一是描述一束光是属于“完全偏振光”、“自然光”或“部分偏振光”中的哪一种;其二是对这三种光中的完全偏振光作进一步分类,即分类为“线偏振光”(或平面偏 7 振光)、“椭圆偏振光”和“圆偏振光”。为了区别起见,我们把前一类称为“偏振状态”,把后一类称为“偏振态” , E根据空间任一点光电场的矢量末端在不同时刻的轨迹不同,其偏振态可分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。 在空间任意一点,光矢量在同一时刻沿传播方向上各点都在同一平面内,这种偏振光称为线偏振光。 在圆偏振光中光矢量的端点沿一圆周运动,光矢量的量值保持不变,而它的旋转角度则在0到2π之间变化。通常规定逆着光传播 , E的方向看, 顺时针方向旋转时,称为右旋偏振光,反之,称为左旋偏振光。 椭圆偏振光是实际应用中最普遍的一种偏振光形式,它的光矢量在垂直传播方向的平面内大小和方向都在改变,端点的运动轨迹在垂直于传播方向的平面内是一个椭圆。由于旋向的不同,椭圆偏振光也可分为右旋椭圆偏振光和左旋椭圆偏振光。 3. 偏振光的数学描述 偏振光的数学描述有四种方 法:三角函数法、琼斯矢量法、斯 [10]托克斯矢量法、邦加球法。这四 种方法各具特点，在实际的使用中 选择合适的方法可以使计算得到 极大地简化。下面我们分别介绍这 几种方法: (1)三角函数法: 三角函数法是描述偏振光的一种经典方法，以一线偏振光,, 为例，假设光传播方向为 x 轴，光矢量与光传，，E,E,cos,t,,0 播方向的交点为原点，过原点垂直于 x 轴的直线为 y 轴，作出光矢量在此坐标系上的轨迹，如图2.4所示。光矢量有: 8 Ey2222，， ，。 E，E,Ecos,t,,,tan,xy0Ex (2)琼斯矢量法: R.C.Jones(琼斯)于 1941 年首先提出用一列矩阵来表示电场矢量的两垂直分量(x，y 分量): ,i1E，，，，Eex0x, (2-1) ,,,,i,2EEey,,0y，，，， 这一矩阵称之为琼斯矢量，对于一束在一、三象限的线偏振光， ，它的琼斯矢量为: ,,,,,120 EE，，，，0xxi,0 (2-2) ,e,,,,EE0yy，，，， 为了简化计算，经常将琼斯矢量进行归一化，及令光强 22E，EI==1此时的琼斯矢量称之为标准琼斯矢量，表 2.1 列举了xy [11~12]几种偏振光的标准琼斯矢量。 琼斯矩阵可以用来计算偏振光的叠加以及偏振光通过偏振器件后的偏转态，它表征了器件对偏振光的变换特性。如果某物质能够进行偏振光的调制，该物质出射的偏振光的琼斯矩阵随之发生变化，由此可以计算出物质的偏转特性，这就是利用偏振光进行测量的基本原理。 (3)斯托克斯矢量法: Stokes(斯托克斯)于1852 年率先提出采用四个光强平均值 9 的参量来描述光波的强度和偏振态，这四个参量组成的四维矢量 [12]称之为斯托克斯矢量，其定义如下: ，，，，测出通过滤令光分别通过下述四块滤色片FFFF3124 ，，，则斯托克斯参量为 色片后的光强IIII3124 I,2I,2,M,2I,2I,21 (2-3) ,C,2I,2I31, ,S,2I,2I41, 四滤色片功能为:每块对自然光的透过率均为 0.5;每块滤色片都垂直于入射光;是各向同性，对任何入射光作用相同;的FF12 的透光轴与 x 轴夹角 45?;对左旋圆偏振透光轴沿 x 轴;FF34光不透明。可见斯托克斯的四个参量均可测，斯托克斯矢量表示为:或 ,,IMCS (4)邦加球法: 邦加球是 1982 年由邦加提出来 表示任一偏振态的图示法，如图 2.5 所示，球面上的一点表示一个偏振态， 该点可用球面上的经纬度表示。 图中:赤道上(ε= 0)任一点代 表不同振动方向的线偏振光;球的北极 (ε=π)表示右旋圆偏振，南极南极 (ε = ?π / 4)表示左旋圆偏振;表示左 旋圆偏振;球上的其他点表示椭圆偏振形式。在偏振光学中，三角函数法相对简单，只能应用与单个光学器件的描述，琼斯矢量与光矢量的振幅和相位有关，主要应用于测量器件对完全偏振光的传输计算;斯托克斯矢量与光强成正比，主要应用与计算部分偏振光的偏振程度。 10 4.偏振器件的琼斯矩阵描述 由上一节可知，琼斯矩阵更适合本文的研究，因此我们采用 [6]琼斯矩阵来描述任意偏振器件 偏振光通过一个偏振器件后，由于受到偏振器件的影响，E1 其偏振态变为，与的变换光学可以用一个 2×2的矩阵 G EEE212 表示: E,GE21 该 2×2 的矩阵 G 称之为此偏振器件的琼斯矩阵或传输矩阵，其表征了偏振器件对偏振光传播的变化特性。 设透过偏振器件前后的偏振光分别为 AA，，，，12与，， EE,,E,GE1221,,,,BB21，，，， 其中 G 为偏振器件的琼斯矩阵，偏振器件光轴与 x 轴成θ 角，快慢轴在的光因传播速度不同引起的相位差为δ，由坐标变换得: ,,,，AAcosBsin,,,11 (2-4) ,,A,,Asin,，Bcos,,11,, ,A,A,,,,,, (2-5) ,i,,,,AAe,,,,,,, ,,,，AAcosAsin,,,,2 (2-6) ,,,，BAsin,Acos,2,,,, 联立(2-4)、(2-5)、(2-6)得: ,,,,AAAcossin10cossin,，，，，，，，，，，，，211G (2-7) ,,,,,,,,,,,,,,,i,BBBsin,cos,0esin,cos,,212，，，，，，，，，，，， 11 该偏振器件的琼斯矩阵 G 为: ,,,22,i,i,,,,,，，cossinesincossincose，, (2-8) G,,,,,i22,i,sin,cos,sin,cos,esin,cos,e,，，，表 2.2 列出了几种常用偏振器件的琼斯矩阵。 2.3偏振光的旋光效应 当一束线偏振光光透过某种透明介质后，出射光的振动面相对入射光的振动面旋转了一定角度，这种现象即是旋光效应。常见的旋光效应是自然旋光效应，介质在没有任何外界作用下能产生旋光现象。除了自然旋光外，一些不能自然旋光的物质在电场、磁场、应力等外界因素的影响下，也能使透过它的偏振光发生偏振角度旋转，这样的旋光效应有:磁致旋光效应、克尔电光效应、光弹效应等。 1.自然旋光效应 图 2.6旋光现象实验 自然旋光效应中介质在自然环境下能使偏振光振动方向发生旋转，这种介质称为旋光物质。石英晶体以及食糖溶液、酒石酸溶液等都是具有较强旋光性的旋光物质。物质自然旋光性的实验研究如图 2.6所示。图中，S 为光源，M、N 为偏振方向相互正交的两偏振片，C 为旋光物质，P 为接收屏。光源出射的光经偏 12 振片 M 后变为一束线偏振光，然后通过另一偏振片 N 被接受屏 P 接收，此时屏是黑暗的;将旋光物质放在两偏振片 M、N 之间，原理黑暗的屏变亮，再将偏振片 N 旋转一定角度θ后，屏又变为黑暗,该旋转角度θ即为偏振光通过旋光物质后振动方向旋转的角度 应用上述实验方法，改变不同的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 特性，如旋光物质长度、旋光率等，研究旋光现象的影响因素。实验结果得出: (1)旋光物质的旋光率直接影响偏振光经过此物质后振动方向的旋转角度。保证实验其他条件不变，换相同长度不同旋光率的物质。偏振光经旋光物质后振动方向的旋转角θ与该旋光物质的旋光率成正比。 (2)保证其他条件不变，旋光角度与旋光物质的长度成正比。综上所述，旋光角度θ的大小可以表示为: ,,,L 式中， ρ 为旋光物质的旋光率即旋光系数;L为旋光物质的长度 2.磁致旋光效应 法拉第于 1845 年做了以下实验，如图 2.7 所示。光源 S 发出的光经起偏器 P1后变成一束线偏振光，线偏振光沿着磁场方向 图 2.7法拉第旋光实验 穿过螺线管中的磁致旋光物质，再经检偏器 P2后入射到接收屏，两偏振器 P1、P2正交。当线圈两端没有加电压即线圈不能感应出磁场时，接收屏上无光照，这表明偏振方向没有发生旋转;对线圈两端加一定电压即线圈两端感应出磁场，此时接收屏上有光照，将检偏器 P2旋转一定角度θ后接收屏上再次无光照，这表 13 明偏振方向旋转了角度θ。这种在磁场作用下的旋光效应称之为 [1]磁致旋光效应或法拉第旋光效应。 调节上述实验中的磁场大小 B 和磁致旋光物质长度 L，可以得到如下规律: (1) 保持磁致旋光物质材料不变，偏振光的旋光角度θ与磁致旋光物质的长度 L 以及物质所处的磁场强度 B 成正比，用公式表达为: (2-9) ,,VLB 式中,V 表示磁致旋光物质的费尔德常数。 (2) 磁致旋光效应中的旋光方向与光的传播方向无关，只与磁场的方向有关。 由于磁致旋光效应有以上规律，因此人们广泛的将它应用于电流及电磁场的测量上。法拉第磁光效应的本质是由于某些物质在外磁场作用下，物质对光的折射率发生改变从而导致了偏振光振动方向旋转。所有材料都显示或强或弱的磁光效应，在铁磁材料中磁光效应最强，在抗磁材料中磁光效应最弱。 3.克尔电光效应 图 2.8克尔电光效应 克尔电光效应是指当外加电场作用下各向同性的物质光学性质发生改变，变成具有双折射现象的各向异性物质，从而使原来不旋光的物质变为旋光物质，如图 2.8 所示。图中，S 为单色光源，L1、L2为聚光镜，M 为盛有液体的平行板电极克尔盒，P1、P2为相互正交的偏振片。当克尔盒两极不加电场时，没有光从 P2透出;当两极加以大小合适的电场时，有光从 P2透出，这表明此时偏 14 光的偏振角发生了旋转。 4.光弹效应 光弹效应是指不具有旋光特性的各向同性物质在外加应力作用下变成具有旋光特性的各向异性物质，如图 2.9 所示。 图中，L 为单色光源，M 为应力材料，P1、P2为相互正交的偏振片。当应力材料上不加应力作用时，没有光从 P2透出;当材 图 2.9光弹效应 料上加以大小合适的应力作用时，有光从 P2透出，这表明此时偏振光的偏振角发生了旋转。 2.4旋光色散理论 1.旋光现象及其原理 有些晶体的旋光性质有左旋和右旋之分。旋转的方向一般是这样确定的:迎着从旋光晶体出射的光看去,线偏振光振动面在晶体中是顺时针转动的,称为右旋;逆时针转的称为左旋。其旋光系数 [3]分别用α+和α-表示,对于同一晶体,其左、右旋转的值相同。 当光传播方向改变时,晶体的左旋或右旋的性质不变,因此,如果通过晶体的偏振光从镜面上反射后再通过同一晶体,则振动面就恢复到原来的方向。 对各向异性晶体,旋光系数α是光传播方向与晶体光轴夹角的函数。但对大多数晶体,偏离光轴的旋光性已被双折射性所掩盖,所以对于晶体一般是指沿光轴方向的旋光系数。 对于不同波长的光在同一旋光物质中其旋光率不同,这种现象称为旋光色散。本实验选用的旋光介质为石英晶体,由于石英晶体 15 在不同入射波长下的旋光率不同,而且没有计算公式。所以,我们需要在所测值范围附近选择多点进行测量,用结果拟合出一条曲线,作为入射波长与旋光率的关系曲线。当再次测量入射光时,可以通过所测旋光角度,反推出入射波长。这就是我在本设计中要达到的最终目的。 2.旋光色散的实验系统 图2.10 待测系统检测 整个实验系统如上图所示,由四个部分构成。单色光源采用波长为1550nm的半导体激光器,它发出的光束经过偏振片后称为线偏振光,然后经过旋光晶体,其振动面旋转一定的角度后出射到涯拉斯顿棱镜,最后被分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光。两个光信号入射到后文的采集系统中,进行运算处理。 首先,将起偏器的光轴和偏光分束器即握拉斯顿棱镜的光轴调整成45度角(这是为了获得对旋光率a变化的最大灵敏度),并固定不动,偏振光经过旋光晶体后,偏振面旋转一定角度,光线进入握拉斯顿棱镜,出射后光线被分解为振动方向相互垂直的两束平面偏振光,根据光强公式: 22，， (2-10) I,Ecos,-, 由前面起偏器和握拉斯顿棱镜的条件可以知道出射的两束光的强度分别为: 12,,，，，， (2-11) I,E1，sin2,A02 16 12 (2-12) ,,，，，，I,E1,sin2,B02 II,AB，， (2-13) ,sin2,,2,II，AB 通过已知的旋转角度和旋光率之间的关系式θ=αd，以求出旋光率α，由于石英晶体在不同入射波长下的旋光率不同,查手册或者对照实验拟合曲线可以确定对应的波长值。 3.旋光问题的应用 3.1微位移测量 1.微位移测量研究现状 由于超精密加工和微纳米技术领域近十几来的飞速发展，微位移测量技术也得到了前所未有的重视，各种新技术和新原理不断涌现，其中，激光干涉、磁栅及容栅等是目前主要的微位移测量方法。但普遍结构复杂且成本很高。而利用某些特殊晶体的旋光效应，可开发出成本较低、结构简单的微位移测量系统。因此，近年来晶体旋光效应在微位移测量方面的应用研究成为微位移检测新原理、新方法研究方面的热点，受到各国研究者的重视。因为这种微位移测量方法不仅在原理上具有一定的先进性，而且在 [7]技术实现上也是十分可行性的，具有较为广阔的应用前景。 旋光效应是指单色偏振光在穿过某些特殊晶体材料( 如石英晶体) 时，其振动面会相对于入射光转过一定的角度，且转过的角度与晶体的厚度有关，厚度越厚，旋转角越大。能产生旋光效应的材料称为旋光材料，已经发现的旋光材料主要有石英晶体、氯酸钠晶体、硝酸钠晶体，部分液体也具有旋光性，如松节油、糖的水溶液及酒石酸溶液等，还有部分生物质也具有旋光特性，如葡萄糖是右旋的，氨基酸左旋、右旋的都有。一般的，石英晶体最适于微位移测量，本文就是利用石英晶体设计了一种基于线偏振光旋光效应的微位移测量试验装置。实验表明: 该装置具有 17 较高的测量精度和较大的微位移量程，在 300 μm 的量程内，测量精度可达0( 1μm，且相对误差不超过1%，可用于各种需要精密测量微位移的仪器仪表中。 2. 利用旋光效应进行微位移测量的原理 为了利用旋光效应进行微位移测量的研究，本文建立了如图 3.1所示的测量系统。该系统由光源、偏振光发生器、石英晶体、数显千分尺、检偏器和光探测器等组成。 图 3.1微位移测量原理图 如图3.1所示，主要由2大部分组成，一是由千分尺产生微位移，并通过它推动石英晶体产生上下移动来改变晶体光轴厚度; 二是光学系统部分，这是该测量系统的关键，由光源、起偏器、、旋光晶体、检偏器和探测器等组成，以形成线偏振光测量光路。 由光源和起偏器产生的线偏振光穿过石英晶体时就会产生旋光效应，旋光角度与晶体厚度呈正比，只要将微位移与晶体厚度建立固定联系，就能通过检测旋光角度进行微位移的测量。根据石英晶体的旋光性质可得旋光角度与晶体厚度的关系为 ,,ad (3-1) 式中 θ 为线偏振光穿过石英晶体后振动面的旋转角a 为石英晶体沿光轴方向的旋光率，与光的波长有关，如波长为 690 nm时，对应的a为 15.7?/mm; d为石英晶体的光轴厚度mm。 而入射光与出射光之间的光强关系可由马吕斯定律表示为 2 (3-2) I,Icos,21 18 式中穿过晶体后的光强; 入射光光强。 II21 同时，图 1 中所用的 2 块石英晶体，晶体 1 可在千分尺的带动下产生上下微位移，晶体 2 固定不动。当千分尺转动使晶体 1 产生一个位移增量 s 时，线偏振光穿过的晶体厚度 Δd 如图中所示，转角增量可表示为: ,,,a,d,astg, (3-3) 式中 s 为千分尺转动产生的垂直位移; 为晶体顶角。 , 这样，位移的大小决定了线偏振光旋转角度的大小。由马吕斯定律可知，经过旋光晶体出射的光束，其振动面与检偏器通光轴的角度大小决定了被探测到的光强的大小。光束的振动面与检偏器通光轴的角度越小，探测到的光强则越大，反之，则越小。由于旋光晶体的位移量不同产生振动面旋转的角度不同，所以，对于每一个微位移量，经过旋光晶体出射后的线偏振光，其振动方向与检偏器通光轴的方向所构成的角度都会不同，因此，对于不同的晶体位移量，探测器所探测到的光强 I1就会不同，联合式(3-2) 和式(3-3)有: (3-4) ，，I,Icosastg,10 式中a，, 均为常量。故可通过测量微位移发生前的光强和I0微位移产生后的光强，根据式(3-4) 就能够求出微位移量s 的I1 值，从而实现微位移的测量。 3.2糖浓度检测 1.糖浓度检测现状 糖浓度的检测技术是食品分析技术中很重要的一部分。在食品分析工作中,由于分析的目的不同,或者是由于被测组分和干扰成分的性质以及它们在食品中存在的数量的差异,所选择的检测方法也各不相同。食品分析采用的方法有感官检验法!化学分析法! 19 仪器分析法!微生物分析法和酶分析法。在化学实验室中与在工业生产中都各自有常用的一些方法。 2.糖浓度检测原理 图3.2检测系统结构图 整个系统结构分为五个部分。采用波长为650nm的半导体激光器作为光源,它发出的光束经过起偏器成为线偏振光,然后经过溶液盒,其偏振面被旋转一定的角度后出射到握拉斯顿棱镜,被分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光,出射光被双光路光电探测器接收后送到计算机,由计算机对两束信号进行运算处理。多次采集并进行数据处理取其平均值作为糖溶液在该浓度时的旋光角度[4]。 首先,将起偏器的光轴和偏光分束器即握拉斯顿棱镜的光轴 ,45调整成角,并固定不动;在起偏器后加入配置好的糖溶液,偏振光经过糖溶液后,偏振面旋转一定角度,光线进入涯拉斯顿棱镜,出射后光线被分解为振动方向相互垂直的两束平面偏振光,根据光强公式: 22，，J,Ecos,,, (3-5) 0 ,,4545并由前面己知起偏器和握拉斯顿棱镜的光轴成角即中,=,可以知道两个探测器探测到的光强分别为: 12,, ，，，， (3-6) J,E1，sin2,102 12,,，，，， (3-7) J,E1,sin2,202 将两路信号进行和!差作除法运算可得: 20 J,J12，， (3-8) ,sin2,,2,J，J12 通过已知的旋转角度与溶液浓度之间的关系式 t ,,,,,,C,d, 可以得出被测糖溶液的浓度值。其中味光波波长，t为溶液温度，, C为溶液浓度，d为光穿过溶液的厚度。 我们之所以将起偏器的光轴和握拉斯顿棱镜的光轴调整成,45角是有原因的,为了获得对旋光角度a变化的最大灵敏度,对光 ,,J,,,22|,0,45，，强公J,Ecos,,,求偏导,令，解得=。,,,,,,0,,,,,, 也就是说当起偏器的光轴与握拉斯顿棱镜的光轴成450角时,探测器对旋光角度变化的灵敏度最大。 , 3.3油雾浓度检测 1.油雾浓度检测现状 随着油雾润滑技术的广泛应用，对于油雾润滑技术的性能参数油雾浓度的定量检测越来越引起人们的重视。油雾浓度检测一直是油雾润滑领域的技术难点，至今没有统一的标准，其原因主要是:测量具有特殊性，不能用惯用的燃烧方法或化学反应方法;油雾的表面张力大，吸附性强等。以上这些都限制了惯用的测量方法运用于油雾浓度测量。目前油雾浓度检测方法从检测原理可以分为两类:一类是直接测量法，主要是运用自动粒子计数器和红外气体分析仪直接对油雾进行测量;另一类是间接测量法，主要是对油雾中的油滴进行吸附或间接的获取油雾浓度的相关参数然后再使用称重分析法、荧光分析法、近红外光分析 法、介电常数法、静电电流法、散射法、闪烁法等进行分析计算。以上方法测量精度较难保证，且难以实现实时在线测量。 油雾具有旋光性，且为左旋，当偏振光通过油雾时其振动面 21 会发生偏转，本研究将偏振光旋光原理运用在油雾浓度的检测方面，实践证明这种尝试是正确的，测量效果令人满意。 2.油雾浓度检测原理 当线偏振光通过某些物质后，光矢量的振动方向绕着光传播方向转过一个角度，这种现象称为旋光现象。对于旋光性溶液来说，旋光角度θ 与溶液浓度C 之间的关系可以表示为 t,,,,,,C,d,，式中t 代表测定时的温度;λ 为入射到被测物质 t,,,,的光波波长;d 为偏振光所经过溶液的长度;为比旋光度。在t和λ 一定，α和d 确定后，使偏振光通过待测溶液，利用溶液对偏振光的旋光作用便可以检测出溶液的浓度[3-4]，其表达式为C =θ/αd 。 当线偏振光通过磁场作用的法拉第旋光器时，光矢量的振动方向旋转一定的角度，角度的大小与磁场强度成正比，这种现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。偏转角度φ 与磁场强度H 之间的关系可以表示为φ=VHL，式中V 为旋光材料的费尔德常数，L 为 [5、14]光经过旋光材料的路径长度。 3.4光电装备隐身技术 “猫眼”效应普遍存在于光电装备的光学窗口中，是对方实施光学窗口主动侦测的物理依据。激光主动探测技术就是利用猫眼效应，通过发射激光束实现对光学目标的扫描、侦察和识别。目前，美、俄等军事强国已经装备了比较完备的集光学窗口侦测、干扰和致盲为一体的激光武器系统，在近年来的几次局部战争中，激光主动探测系统凭借其较高的定位精度和快速的探测速度大大提高了战场武器系统的作战效能，凸显出惊人的作战效果和威力，而国内对“猫眼”效应的研究还处于理论分析和实验室研究阶段，在应用领域还是空白，在对方具备实施“猫眼”主动侦测的条件下，即使我方采用被动观测方式，如微光夜视仪、热像仪等各种夜视装备，也会暴露无遗。如若不采取反侦测措施，我方必将受 22 到对方激光侦测及其武器系统的压制和破坏，造成光电装备迷盲、失控和失效，因此“猫眼效应”已经成为光电装备的探测威胁。 如何降低“猫眼效应”实现光电装备的“隐身”，成为提高光电装备战场生存能力亟待解决的问题。目前，国内在光电装备隐身技术研究上相对滞后，提到了用蜂窝板装置实现狙击步枪瞄准镜的隐身，但是其仅限于在狙击枪瞄准镜上使用且加装蜂窝板后瞄准镜的观察距离会大大降低;提出通过增加光敏面的离焦量、在光敏面上镀增透膜或对光敏面进行漫反射处理等方法进行光电装备隐身，但这些方法会改变原有光电装备的光学结构，甚至严重影响光电装备的探测性能。由此可见，如何在不改变光学结构及牺牲有限光电装备光学性能的前提下，有效实现隐身成为光电装备反侦测技术的关键。现从降低猫眼回波功率出发，基于特殊晶体的磁致旋光效应，利用晶体的旋光与互易特性，设计了光电装备光学窗口外置隐身装置。 1.基于磁致旋光效应的隐身原理 前人的实验证明，对于一定波长的光，法拉第旋转角θ与晶体的厚度, 成正比，表示为: (3-9) ,,VDBd 式(3-9)中，为费德乐常数，, 为磁场强度。 Vd 磁致旋光晶体的另一重要特性为旋转方向的非互易性。对给定的物质，光振动面的旋转方向仅由磁感应强度, 的方向决定，与光的传播方向并与, 同向或反向无关，这一特点可使光在介质中往返数次而使旋转角度加大。利用旋光晶体的上述特性，选取一定长度的晶体，使探测激光进入晶体且经猫眼系统反射折回后振动方向发生变化，配合偏振器件的使用达到阻止猫眼回波的隐 [8,,]身效果。 2.隐身装置设计 基于磁致旋光晶体的旋光特性，设计了光电装备光学窗口外置隐身装置，图3-3为其原理图。隐身装置由一个偏振片和一定长 23 度的磁致旋光晶体组成，加载与光轴方向同向的磁场，磁感应强度的大小与旋光晶体的长度能够保证线偏振光一次穿过后振动方向旋转45?。 图 3.3隐身装置原理图 光电装备处于正常工作状态时，给晶体加以沿光轴方向的磁场，此时不影响光学窗口正常观察和瞄准目标。当探测系统发射的探测激光通过偏振片时，探测激光变为和偏振片同方向的线偏振光，经过旋光晶体后偏振方向旋转45?。偏振光经隐身装置透射进入猫眼系统后按原路返回再次经过旋光晶体，偏振方向再次旋转45?，旋转角叠加至90?。此时，线偏振光的振动方向与偏振片偏振方向垂直，根据马吕斯定律，此时线偏振光不能透过，因此，猫眼目标回波被截止在了隐身装置内部。显然，此时主动探测系统已探测不到回波信号，猫眼目标淹没在背景中，达到隐身的效果。 4.总结 总结以上基于旋光效应的糖浓度检测原理和技术的研究,本论文主要完成了以下工作: 1.对旋光色散的检测理论进行了详细的理论分析,分析了旋光角度产生的原理,分析了旋光率与旋光角度的关系!旋光角度与系统出射光强的关系以及旋光率与系统入射光波长的关系，为实验结论提供了很好的理论基础。 2.找到了一种基于旋光效应检测糖溶液浓度的新 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 ,即运用双光路检测法检测线偏振光的偏振面旋转角度从而测量糖溶液浓 24 度。这种方法可以大大地降低对光源稳定性的要求,并能够使光学检测系统处于最大灵敏度处。 3.运用琼斯矩阵对光波传输系统进行分析研究。本论文利用琼斯矢量表示光波偏振态和检测系统中的各个光学元器件对光波的作用,并利用琼斯矩阵对本实验的光学系统进行了详细的分析,得出了理论计算公式,从分析结果来看,双光路检测糖溶液浓度的方法是完全可行的。 4(结合偏振光的数学描述和偏振旋光测量的特点，采用琼斯矢量法深入研究了偏振分束测量旋光角度的基本原理。根据对分束后两偏振光琼斯矩阵的分析，发现两光强。差除和。(两光强的差除以光强和)后能直接得到旋光角度的正弦值且结果不受光强波动影响，由此结合 CCD 成像中灰度与光强成线性的特点提出了基于偏振分束成像的旋光角度场测量方法。 5.基于偏振分束成像的旋光角度场测量方法原理，设计并构建了基于偏振分束成像的旋光角度场测量系统。深入分析测量系统各组成部分的特点结合实验的需求选取了适合本文实验的各种元器件，构建了偏振光束产生装置、偏振分束装置、光接收与成像装置、图像采集与处理装置。 25 参考文献: [1] 赵凯华,钟锡华.光学[M].北京:北京大学出版社,2009:217-220. [2] 程守株.普通物理[M].北京:高等教育出版社,2011:272-274. [3]窦寅丰.基于旋光色散原理的波长鉴别技术研究[D].硕士论文,黑龙 江大学,2010. [4]章博.基于旋光效应的糖浓度检测[D].硕士论文,黑龙江大学,2007. [5]杨伟红,宋锦春.基于旋光效应的油雾浓度检测研究[J].光电工,201 1,38(3):52-53 [6]蒋琦.偏振旋光角度场测量方法及其在磁光成像中的应用研究[D].硕 士论文,南京航空航天大学,2011. [7]俞志根.旋光效应在微位移测量中的实验研究[J].传感器与微系 统,2011,30(8):34-35. [8]章春香.磁光材料的典型效应及其应用[J].光学工程，2008,39(3):8. ] 董宇.基于磁致旋光效应的光电装备隐身技术[J].光学仪器,2012, [9 34(6):81-82. [10] Fitzpatrick. Flaw Imaging in Ferrous and Nonferrous Materials Using Magneto-OpticVisualization: USA,4625167 [P].1986-11. [11] S Simms. MOI: magneto-optic/eddy current imaging[J]. Mat erials Evaluation. 1993, 51(5):529-532,534. [12] Fitzpatrick, Gerald L,etc. Magneto-optic/eddy current ima ging of aging aircraft: A new NDItechnique [J]. Materials Evaluat ion.1993,51(12):1402-1407. [13]WANG Yan-lin，ZHANG Zhi-wei，CHEN Jian-wen，et al. Application on weighing method in testing oil mist concentration [J].Chinese Hydraulics & Pneumatics，2004(8):52-53. [14] CHOU Chien，HUANG Yeu-chuen，FENG Ching-mei，et al. Amplitude sensitive optical heterodyne and phase lock-intechnique on small optical rotation angle detection of chiral liquid [J]. Jpn.J.Appl.Phys (S0021-4922),1997,36(1):356-359 26 致谢 本论文研究工作的完成,首先要感谢的就是我的导师王形华教授。题目的选取,硬件的设计,实验系统的搭建,实验的进展,到最后论文的修改,都是在王老师的悉心指导下才能圆满完成的。他严谨的治学态度,渊博的学识,都使我受益匪浅,我将把这种工作态度带到我今后的学习工作中去。 大学生活转眼即逝，回望这四年，有开心过，也受挫过，但就是因为这多姿多彩的、刻骨铭心的大学生活以及各位良师益友的帮助和支持下，才让我从一个懵懂的少年不如成熟稳重的成年。在此,我向我最亲爱的同学们送以最真诚的祝福，向我最敬爱的老师们表达最崇高的敬意与感谢! 祝愿您们身体健康,工作顺利，一生平安! 27