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摘 要

介质的旋光性指的是线偏振光通过该介质后，偏振面会旋转一个角度，具有旋光性的介质称为旋光介质，主要包括石英晶体、液晶以及光学活性物质。介质的旋光特性主要由介质的旋光率的色散特性、旋光率的温度特性以及左旋、右旋属性给出。该论文首先介绍菲涅耳对旋光现象的解释，其次，利用量子力学原理，对旋光现象进行了分析讨论。最后对旋光效应的应用作了简要的介绍，主要介绍了糖浓度检测，微位移测量，磁致旋光效应的应用。

关键词：旋光性，旋光介质，菲涅耳，量子力学

Abstract: Media optical rotation means that after light traversing throng this media, the polarizing plane will rotate an angle. The media which has optical rotation characters is named as optical rotation media. Optical rotation mainly include quartz, liquid crystal, and optical active substance. The optical rotation characters are decided by the specific rotation dispersion characters of media, the specific rotation temperature characters, and the media attribute of left rotation or right rotation. First this paper introduces Fresnel on optical rotation, secondly, using the principles of quantum mechanics, the optical phenomenon is analyzed and discussed. Finally, this paper introduces the applications of the optional rotation, this paper introduces the sugar concentration detection, micro displacement measurement and Faraday effect.

Keywords: optical activity, quantum mechanics, Fresnel, optical medium

目 录

1 绪论 4

1.1 旋光问题的研究背景 4

1.2 旋光介质 4

1.3 旋光现象的观测及其规律 5

2 旋光现象的解释 6

2.1 旋光现象的菲涅耳解释 6

2.2 旋光现象的量子力学分析 10

3 旋光的应用 14

3.1 糖浓度检测 14

3.2 微位移测量 15

3.3 磁致旋光效应的应用 17

结论 19

参考文献 20

致谢 21

1 绪论

1.1 旋光问题的研究背景^[1,2]

线偏振光通过某些晶体（如石英）和一些液体（如蔗糖、酒）、气体时，其振动面随着光在该物质中传播的距离的增大而逐渐旋转的现象称为旋光性。如图1.1所示，图中晶体沿其光轴长度为ι，线偏振光经过晶体后偏振面的旋转角度为α。

图1.1介质的旋光现象

旋光现象是由法国物理学家阿喇果（）于1811年首先在石英晶片中发现的。他发现当线偏振光沿石英晶片的光轴方向通过时，出射光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射时的振动面转动了一个角度。继阿喇果在石英中发现旋光现象，1815年，法国物理学家毕奥在酒石酸中也发现了旋光现象，随后的研究表明，许多非晶体也具有旋光特性，其中以某些溶液的旋光现象较为明显，如糖溶液、松节油等。

1.2 旋光介质

旋光介质是指能够使线偏振光的偏振面发生旋转的物质，当线偏振光经过此类物质时，光矢量所在的平面就会旋转一个角度，这一旋转角度与光在旋光介质中行进的长度有关，已有的研究表明，二者成正比关系，长度越长，旋转角度越大。对于旋光晶体和液晶，比例系数称为旋光率，对于液体旋光介质，由于旋光率与液体旋光介质的浓度有关，一般液体的旋光率是指光矢量经液体后旋转的角度与光在旋光介质中行进的长度以及液体浓度的比值，旋光率是表征旋介质旋光特性的重要物理量^[3]。

自然界中具有旋光特性的介质很多，主要包括石英晶体、液晶和光学活性物质，这些物质在人类的生产、生活中都有着广泛的应用^[4，5]。石英晶体具有物理、化学性质稳定、抗损伤阈值高及可以人工生长等优点。借助石英晶体的旋光特性，可以做成 90°石英旋光器，用于大能量激光器中的双折射补偿，减少激光介质由于应力双折射引起的退偏振损耗，提高激光脉冲的输出能量^[6]。液晶是目前使用最广泛的一种旋光介质，由于液晶旋光是可控的，因而可以制作成各种显示器件、光阀。由于液晶器件中的液晶层厚度非常薄，一般只有几微米，借助现代电子电路技术及精密加工工艺，可以制作超薄型、色彩细腻、大视场的 LCD 显示器，目前已广泛应用于电视、计算机、仪器仪表等显示领域。利用液晶可以制成透过率可调的电焊防护眼罩，其原理是通过调整加在液晶光阀上的电压，实现透过率大小的调整。光学活性物质中的某些乳酸和葡萄糖是医疗领域广泛应用且不可缺少的物质，如葡萄糖溶液可以作为多种针剂的稀释液，这些物质的纯度及溶度的精确测量也是基于旋光效应，即通过测量特定波长的光经过光学活性物质后的旋光角度来标定物质的纯度和浓度。^[2]

1.3 旋光现象的观测及其规律^[2,7]

图 1.2 旋光现象的观测

图 1.2 给出了旋光现象的观测方法示意图，图中，为光源，为准直透镜， 为滤光片，、 是两个偏振片，分别充当起偏器和检偏器，为旋光介质。从光源发出的光经准直透镜L后变为准直光，经滤光片后变为中心波长为λ，光谱范围很窄的光，可以认为是波长为λ的单色光，经过起偏器后，变为线偏振光，光矢量的振动方向和的透振方向一致，从出来的单色线偏振光经过旋光介质后，偏振面发生旋转，然后再经过检偏器后出射。可见，当起偏器和检偏器的透振方向相互垂直时，并不能实现消光，即通过看到的视场并非全暗，将检偏器旋转某一角度，可以实现消光，这表明通过旋光介质后的光仍然是线偏振光，但是光的偏振面已由与起偏器的透振方向平行旋转到了与检偏器的透振方向垂直，也就是说光在旋光介质中传播时，偏振面旋转了一个角度。 实验证明，线偏振光经过旋光介质后，偏振面的旋转角度和旋光介质的长度成正比，比例系数称为旋光率，满足：

  (1.1)

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