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石英旋光性及其偏光干涉谱的测试分析

孔德福  
【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ι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εαβ是物质旋光的根本原因,当矩阵εαβ或相应回转矢量gαβ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gαβ的独立元素有3个,晶体的对称性会使gαβ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300-1500nm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60%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300-1500nm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。


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