【正文】 光物質(zhì)，如圖 所示。法拉第磁光效應(yīng)的本質(zhì)是由于某些物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，物質(zhì)對(duì)光的折射率發(fā)生改變從而導(dǎo)致了偏振光振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)。 （ 2） 磁致旋光效應(yīng)中的旋光方向與光的傳播方 向無關(guān)，只與磁場(chǎng)的方向有關(guān)。這種在磁場(chǎng)作用下的旋光效應(yīng)稱之為磁致旋光效應(yīng)或法拉第旋光效應(yīng) [1]。光源 S 發(fā)出的光經(jīng)起偏器 P1 后變成一束線偏振光，線偏振光沿著磁場(chǎng)方向圖 法拉第旋光實(shí)驗(yàn) 穿過螺線管中的磁致旋光物質(zhì)，再經(jīng)檢偏器 P2 后入射到接收屏，兩偏振器 P P2 正交。 （ 2）保證其他條件不變，旋光角度與旋光物質(zhì)的長(zhǎng)度成正比。保證實(shí)驗(yàn)其他條件不變，換相同長(zhǎng)度不同旋光率的物質(zhì)。光源出射的光經(jīng)偏 13 振片 M 后變?yōu)橐皇€偏振光，然后通過另一偏振片 N 被接受屏 P 接收，此時(shí)屏是黑暗的；將旋光物質(zhì)放在兩偏振片 M、 N 之間，原理黑暗的屏變亮，再將偏振片 N 旋轉(zhuǎn)一定角度θ后，屏又變?yōu)楹诎?,該旋轉(zhuǎn)角度θ即為偏振光通過旋光物質(zhì)后振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的角度 應(yīng)用上述實(shí)驗(yàn)方法，改變不同的材料特性，如旋光物質(zhì)長(zhǎng)度、旋光率等，研究旋光現(xiàn)象的影響因素。物質(zhì)自然旋光性的實(shí)驗(yàn)研究如圖 所示。 圖 旋光現(xiàn)象實(shí)驗(yàn) 自然旋光效應(yīng)中介質(zhì)在自然 環(huán)境下能使偏振光振動(dòng)方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種介質(zhì)稱為旋光物質(zhì)。常見的旋光效應(yīng)是自然旋光效應(yīng)，介質(zhì)在沒有任何外界作用下能產(chǎn)生旋光現(xiàn)象。 設(shè)透過偏振器件前后的偏振光分別為 ??????? 111 BAE 與 ??????? 222 BAE ， 12 GEE ? ， 其中 G 為偏振器件的瓊斯矩陣，偏振器件光軸與 x 軸成θ 角，快慢軸在的光因傳播速度不同引起的相位差為δ ， 由坐標(biāo)變換得 ： ?????? ??? ?? ?? ???? c o ss i n s i nc o s1111 BAA BAA （ 24） ?????????? ?? ?????? ?? ieAAAA （ 25） ?????? ?? ?? ?? ?????? c o ss i n s i nc o s22 AAB AAA （ 26） 聯(lián)立（ 24）、（ 25）、（ 26）得： ???????????????????????????????? ???????? ? 211122 c o ss i n s i nc o s0 01c o ss i n s i nc o s BAGBAeBA i ?? ???? ?? ? （ 27） 12 該偏振器件的瓊斯矩陣 G 為 : ?????? ?? ?????????????????? ????? iiiiee eeG 2222c o ss i nc o ss i nc o ss i n c o ss i nc o ss i ns i nc o s （ 28） 表 列出了幾種常用偏振器件的瓊斯矩陣。在偏振光學(xué)中，三角函數(shù)法相對(duì)簡(jiǎn)單，只能應(yīng)用與單個(gè)光學(xué)器件的描述，瓊斯矢量與光矢量的振幅和相位有關(guān)，主要應(yīng)用于測(cè)量器件對(duì)完全偏振光的傳輸計(jì)算；斯托克斯矢量與光強(qiáng)成正比，主要應(yīng)用 與計(jì)算部分偏振光的偏振程度?？梢娝雇锌怂沟乃膫€(gè)參量均可測(cè)，斯托克斯矢量表示為： 或 ? ?SCMI （ 4）邦加球法： 邦加球是 1982 年由邦加提出來表示任一偏振態(tài)的圖示法，如圖 所示，球面上的一點(diǎn)表示一個(gè)偏振態(tài)，該點(diǎn)可用球面上的經(jīng)緯度表示。 （ 3）斯托克斯矢量法： Stokes（斯托克斯）于 1852 年率先提出采用四個(gè)光強(qiáng)平均值 10 的參量來描述光波的強(qiáng)度和偏振態(tài)，這四個(gè)參量組成的四維矢量稱之為斯托克斯矢量 [12]，其定義如下： 令光分別通過下 述四塊濾色片 1F ， 2F ， 3F ， 4F ， 測(cè)出通過濾色片后的光強(qiáng) 1I ， 2I ， 3I ， 4I 則斯托克斯參量為 ??????????????14131222222222IISIICIIMII （ 23） 四濾色片功能為：每塊對(duì)自然光的透過率均為 ；每塊濾色片都垂直于入射光； 1F 是各向同性，對(duì)任何入射光作用相同； 2F 的透光軸沿 x 軸； 3F 的透光軸與 x 軸夾角 45176。 瓊斯矩陣可以用來計(jì)算偏振光的疊加以及偏振光通過偏振器件后的偏轉(zhuǎn)態(tài)，它表征了器件對(duì)偏振光的變換特性。光矢量有： 9 ?tanx?EEy ， ? ??? ??? tEEE yx 22022 c o s。這四種方法各具特點(diǎn)，在實(shí)際的使用中選擇合適的方法可以使計(jì)算得到極大地簡(jiǎn)化。 由于旋向的不同 ,橢圓偏振光也可分為右旋橢圓偏振光和左旋橢圓偏振光 。 通常規(guī)定逆著光傳播的方向看 , ?E 順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí) ,稱為右旋偏振光 ,反之 ,稱為左旋偏振光 。 在空間任意一點(diǎn) ,光矢量在同一時(shí)刻沿傳播方向上各點(diǎn)都在同一平面內(nèi) ,這種偏振光稱為線偏振光 。其二是對(duì)這三種光中的完全偏振光作 進(jìn)一步分類 ,即分類為“線偏振光” (或平面偏 8 振光 )、“橢圓偏振光”和“圓偏振光”。 它是橫波區(qū)別于縱波的最明顯標(biāo)志 。 而在垂直方向的平面內(nèi) ,光振動(dòng)方向相對(duì)光傳播方向是不對(duì)稱的 ,這種不對(duì)稱性導(dǎo)致了光波性質(zhì)隨光振動(dòng)方向的不同而發(fā)生變化 。此外 ,偏振光的獲得與變換還廣泛應(yīng)用在各種應(yīng)用技術(shù)中。由于激光器的問世 ,能夠得到單色性好、亮度高的偏振光。 自然光通過一些人造偏振器件后 ,能得到偏振光的輸出 。 通常太陽 、 白熾燈等普通光源包含大量輻射原子和分子 ,在同一時(shí)間發(fā)出具有不同初相位和振動(dòng)方向的光波 ,光矢量在空間無規(guī)則地變化 ,從而不顯示任何方向特性 ,也就表示為非偏振特性 ,這些光都是非偏振光 。 如果在光波中 ,光矢量的振動(dòng)方向在傳播過程中保持不變 ,只是它的大小隨位相改變 ,這種光稱為線偏振光 。實(shí)驗(yàn)表明 ,只有橫波才有偏振現(xiàn)象 。最后用圓偏振光和橢圓偏振光的檢驗(yàn)方法來檢驗(yàn)出射的兩光束的偏振狀態(tài)，證明它們確實(shí)是左、右旋圖 菲涅耳復(fù)合棱鏡 7 的圓偏振光。于是他就用左、右旋晶體制成棱鏡，交替排列起來，成為 圖 的復(fù)合棱鏡，其中橫線代表光軸方向。 菲涅耳在提出上述假設(shè)的同時(shí)，設(shè)計(jì)了如圖 所示的復(fù)合棱鏡驗(yàn)證了它。從圖 （ b）不難看出，次方向 相對(duì)原來的豎直方向轉(zhuǎn)過了一個(gè)角度 ? ，其大小為 ? ? ? ?dnn LRLR ???? ????? 21 上式表明，偏振賣弄轉(zhuǎn)動(dòng)的角度 ? 是與旋光晶片的厚度 d 成正比的。當(dāng)光束穿出晶片后左、右旋圓偏振光的速度恢復(fù)一致，我們又可以將它們合成起來考慮。因此將它分解為左右旋圓偏振光后， LE? ，RE? 此時(shí)刻的瞬時(shí)位置都與 ?E 一致，也是朝上的。同理， R 光中 RE? 在界面Ⅱ上的位置處于同一時(shí) 刻在界面Ⅰ上位置的左邊，相差一個(gè)角度R?[1]。當(dāng)圓偏振光經(jīng)過晶片時(shí)，在出射面Ⅱ上電矢量 LE? ， RE? 的瞬時(shí)位置（見圖 （ b））比同一時(shí)刻入射界面Ⅰ上的位置（見圖 （ a））分別落后一個(gè)角度 L? 和 R? 。 5 2 旋光性的解釋 為了解釋旋光性，菲涅耳作了如下假設(shè)：在旋光晶體中線偏振光沿光軸傳播時(shí)分解成左旋光和右旋光（ L 光和 R 光），它們的傳播速度 L? , R? 略有不同，或者說兩者的折射率不同，因而經(jīng)過旋光晶體片時(shí)產(chǎn)生不同的相位滯后： dn2LL ??? ? dn2RL ??? ? 式中 ? 為中空波長(zhǎng)， d 為旋光晶片的厚度。 上述結(jié)論也可以反過來敘述，即一個(gè)沿直線作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的矢量 ?E 可以分解成一對(duì)左、右旋的旋轉(zhuǎn)矢量 LE? ， RE? ，它們的大小是矢量 ?E 的振幅之半，角速度的大小是矢量 ?E 的角頻率 ? 。設(shè)在 t=0 時(shí)刻它們沿某一方向重合，由于過任意時(shí)間 t 后兩個(gè)矢量的角位移也大小相等方向相反，它們的合矢量 ?E 總保持在原來的方向上。這里我們要討論的問題是一個(gè)直線簡(jiǎn)諧振動(dòng) 可以分解成一對(duì)圓運(yùn)動(dòng)。首先要掌握兩個(gè)同頻率的垂直簡(jiǎn)諧振動(dòng)和合成為一個(gè)圓運(yùn)動(dòng)的問題。劉竹琴等研究了利用光強(qiáng)分布測(cè)試儀測(cè)量蔗糖溶液的旋光率及其濃度，用光強(qiáng)分布測(cè)試儀測(cè)量光強(qiáng) , 采用數(shù)字檢流計(jì)采集數(shù)據(jù) , 通過馬呂斯定律計(jì)算出旋光度 , 從而求出蔗糖溶液的旋光率及其濃度 [13]； 劉建霞等研究石英晶體旋光折射率特性，分析了在 834～ 841 nm 波長(zhǎng)處右旋光和左旋光的折射率差值的特性，并通過實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證，得出了在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)右旋光和左旋光的折射率差值近似為一個(gè)常數(shù)，旋光率與右旋光和左旋光折射率差值近似無關(guān) [14] 2 旋光理論基礎(chǔ) 本章介紹 了 偏振光以及旋光性質(zhì)的理論基礎(chǔ)，以及整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)所需要的基本公式。 旋光效應(yīng)的研究 現(xiàn) 狀 旋光問題是光學(xué)研究的一個(gè)基本問題，旋光效應(yīng)具有廣泛的應(yīng)用，近年來人們對(duì)旋光問題在理論上和應(yīng)用上進(jìn)行了廣泛的探討，已取得了許多有價(jià)值的成果 [1～ 14]. 2020 年，尹鑫等研究了晶體的旋光性與電光效應(yīng)的交互作用以及此交互作用對(duì)旋光晶體電光 Q 開關(guān)的影響 [1]； 黃海等 對(duì)磁致旋光效應(yīng)和磁光玻璃磁致旋光效應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了探討，對(duì) ZF ZF6 磁光玻璃的磁致旋光效應(yīng)分