成都理工大學(xué)光學(xué)教程課程設(shè)計(jì)

光學(xué)教程課程設(shè)計(jì)(論文)設(shè)計(jì)（論文）題目蔗糖溶液的旋光效應(yīng)學(xué)院名稱核技術(shù)與自動化工程學(xué)院專業(yè)名稱學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號任課教師趙曉云設(shè)計(jì)（論文）成績教務(wù)處制2015年7月4日

填寫說明專業(yè)名稱填寫為專業(yè)全稱，有專業(yè)方向的用小括號標(biāo)明；格式要求：格式要求：用A4紙雙面打?。ǚ饷骐p面打印）或在A4大小紙上用藍(lán)黑色水筆書寫。打印排版：正文用宋體小四號，1.5倍行距，頁邊距采取默認(rèn)形式（上下2.54cm，左右2.54cm，頁眉1.5cm，頁腳1.75cm）。字符間距為默認(rèn)值（縮放100%，間距：標(biāo)準(zhǔn)）；頁碼用小五號字底端居中。具體要求：題目（二號黑體居中）；摘要(“摘要”二字用小二號黑體居中，隔行書寫摘要的文字部分，小4號宋體)；關(guān)鍵詞（隔行頂格書寫“關(guān)鍵詞”三字，提煉3-5個(gè)關(guān)鍵詞，用分號隔開，小4號黑體)；正文部分采用三級標(biāo)題；第1章××(小二號黑體居中，段前0.5行)1.1×××××小三號黑體×××××（段前、段后0.5行）1.1.1小四號黑體（段前、段后0.5行）參考文獻(xiàn)（黑體小二號居中，段前0.5行），參考文獻(xiàn)用五號宋體，參照《參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則（GB/T7714－2005）》。摘要：旋光性菲涅爾假設(shè):

菲涅爾根據(jù)振動中的一個(gè)原理，即任何一個(gè)直線簡諧運(yùn)動可以看作是兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的同頻率的圓周運(yùn)動的組合，認(rèn)為：沿晶體光軸方向傳播的直線偏振光也可以看作是由兩個(gè)同頻率、旋向相反的原偏振光組成。在旋光晶體中，這兩種偏振光有不同的傳播速度。這樣一個(gè)假設(shè)，雖然不能說明現(xiàn)象的本質(zhì)，但能令人信服的說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：旋光，偏振，糖濃度1旋光問題的研究背景1811年,阿喇果（Jago)在研究石英晶體的雙折射特性時(shí)發(fā)現(xiàn):一束線偏振光沿石英晶體的光軸方向傳播時(shí),其振動平面會相對原方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度。由于石英晶體是單軸晶體,光沿著光軸方向傳播不會發(fā)生雙折射,因而阿喇果發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象應(yīng)該屬于另外一種新現(xiàn)象,這就是晶體中的旋光現(xiàn)象。稍后,比奧(Biot)在一些蒸汽和液態(tài)物質(zhì)中也觀察到了同樣的旋光現(xiàn)象。2旋光效應(yīng)的研究現(xiàn)狀阿喇果發(fā)現(xiàn),當(dāng)線偏振光通過某些透明物質(zhì)時(shí),它的振動面將會繞光的傳播方向轉(zhuǎn)過一定的角度。這種現(xiàn)象就叫旋光效應(yīng),光的振動面轉(zhuǎn)過的角度稱為旋光度,使光的振動面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)叫做旋光物質(zhì)（進(jìn)一步地,迎著光的傳播方向看,使光的振動面順時(shí)針轉(zhuǎn)動的物質(zhì)叫右旋物質(zhì),反之則為左旋物質(zhì).常見的旋光物質(zhì)有:石英,朱砂,酒石酸,食糖溶液,松節(jié)油等。利用旋光儀可以測定這些物質(zhì)的比重,純度或濃度。2004年，尹鑫等人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旋光晶體電光Q開關(guān)的影響;黃海等對磁致旋光效應(yīng)和磁光玻璃磁致旋光效應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了探討,對ZF1、ZF6磁光玻璃的磁致旋光效應(yīng)分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,給出偏振面旋轉(zhuǎn)角與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系,計(jì)算出波長不變情況下不同磁感應(yīng)強(qiáng)度的費(fèi)爾德常數(shù);張為權(quán)導(dǎo)出了的斜入射時(shí)晶體的相移公式，并用其研究了相移隨入射角和方位角的改變.2005年,高軍伍等提出一種利用磁致旋光效應(yīng)測量脈沖大電流的方法;田召兵等通過對硅酸鎵鑭旋光晶體中電光效應(yīng)和旋光效應(yīng)對光的偏振態(tài)影響的研究,推導(dǎo)出了處于外加電場中的旋光晶體中光的傳播方程的表達(dá)式,以及透過光強(qiáng)的表達(dá)式,并利用幾種簡單的光學(xué)器件在實(shí)驗(yàn)上得到了很好的驗(yàn)證.2006年，李彪等研究了基于晶體旋光效應(yīng)的近場光學(xué)空間濾波問題,其指出采用偏振光檢偏法選擇不同空間頻率光束的通過與阻擋,可以實(shí)現(xiàn)激光光束的近場空間濾波,用多個(gè)濾波器串接構(gòu)成濾波器組,可提高光束空間窄帶濾波性能.2007年初,任廣軍等利用矩陣方法分析了液晶的旋光效應(yīng),導(dǎo)出了液晶旋光的矩陣表示，利用JG-3型連續(xù)可調(diào)諧磁場儀搭建實(shí)驗(yàn)裝置,紅外1350nm激光器做光源,測量了偏振光通過磁場作用下BL-009型向列相液晶的旋光角,詳細(xì)分析了磁場對液晶旋光性能的影響，這對更好地研究液晶的旋光特性以及液晶器件具有重要的參考價(jià)值.2008年,王益軍等應(yīng)用法拉第磁光效應(yīng)原理,提出利用磁致旋光估測磁場的方法,提高了磁場測量的效率,獲得了磁場的直觀分布.2009年,羅濤等通過對左旋和右旋偏振光判別方法的研究，推導(dǎo)出圓偏振光的合成條件,并且得到了平面偏振光合成橢圓偏振光時(shí)的長短軸公式,以及橢圓偏振光左旋和右旋在相位差上的判別方法;王建華等研究聚合物分散液晶旋光性能,用旋光儀測量溫度作用下手性聚合物分散液晶的旋光性變化,結(jié)果與deVries理論相一致.2010年,戴玉梅等激光綜合光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀拓展應(yīng)用的研究，完成利用激光綜合光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀測得蔗糖溶液的旋光度與其濃度成正比關(guān)系,并利用該關(guān)系進(jìn)行未知濃度蔗糖溶液濃度測量的拓展實(shí)驗(yàn)研究；張昕明等對近紅外波段石英晶體旋光率的測試研究，測出了石英晶體在近紅外波段的旋光率;劉竹琴等研究了利用光強(qiáng)分布測試儀測量蔗糖溶液的旋光率及其濃度，用光強(qiáng)分布測試儀測量光強(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;劉建霞等研究石英晶體旋光折射率特性,分析了在834～841nm波長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).3.旋光理論基礎(chǔ)蔗糖是右旋性物質(zhì)，其比旋光度[α]=+66.6；葡萄糖也是右旋性物質(zhì)，其比旋光度[α]=+52.5；果糖是左旋性物質(zhì)，其比旋光度[α]=-91.9。由于生成物中果糖的左旋性比葡萄糖的右旋性大，因此隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，溶液的右旋角逐漸減小，最后經(jīng)過零點(diǎn)變成左旋。旋光度與濃度成正比，并且溶液的旋光度為溶液中各組分的旋光度之和。物體具有旋光性的條件物體具有旋光性，其結(jié)構(gòu)不能具有空間反演不變的性質(zhì)。對于分子可以隨機(jī)朝向的多晶或者溶液，分子必須具有手征性，否則不能破壞空間反演不變性，不會發(fā)生旋光現(xiàn)象.旋光性的維相描述旋光性，可以用左旋光和右旋光具有不同傳播速度維相地進(jìn)行描述.任何偏振光都可以看成左旋光和右旋光的疊加.把左右旋的光疊加成偏振光時(shí)，偏振方向跟兩種光的位相差有關(guān)系.如果兩種光傳播速度不同，就會產(chǎn)生附加的維相差，導(dǎo)致偏振光旋轉(zhuǎn)。旋光度的測定旋光儀是用來測定光學(xué)活性物質(zhì)旋光能力大小和方向的儀器。光學(xué)活性物質(zhì)可以旋轉(zhuǎn)偏振光平面，其大小和方向除了與該物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與測定時(shí)的溫度、所用光的波長、溶液的濃度和溶劑、旋光管的長度等有關(guān)。一般單色光源用鈉光燈，波長為589nm，以D表示。規(guī)定以每毫升溶液所含溶質(zhì)的克數(shù)作為質(zhì)量濃度的單位。由旋光儀測得旋光角度后，可以下式計(jì)算旋光度：α為用旋光儀測得的旋光度；c為溶液的質(zhì)量濃度(g/ml)；l為旋光管的長度/dm；t為測定時(shí)溫度(℃)，λ為測定所用光波波長(鈉光以D表示)。光活性物質(zhì)為液體時(shí)，則以密度ρ(g/ml)代替c，即若以100ml溶液含溶質(zhì)的克數(shù)，則，如果糖的水溶液，溶液濃度為5g/100ml，在1dm旋光管中測得旋光角度為-4.64°，則：書寫旋光度時(shí)，除注明溫度，光波波長外，在數(shù)據(jù)后的括號內(nèi)，注明其質(zhì)量百分濃度和配制溶液用的溶劑。旋光性和晶體雙折射的類比雙折射晶體可以將偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，或者其他方向的偏振光,將兩塊很薄的雙折射晶體以比較隨意的方向疊加(夾角為ψ)，則疊加結(jié)果破壞空間反演不變性。3.1光的偏振理論光的偏振現(xiàn)象及其應(yīng)用光的偏振（polarizationoflight）振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振，它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志。光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象叫做光的偏振。只有橫波才能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，故光的偏振是光的波動性的又一例證。在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，包含一切可能方向的橫振動，且平均說來任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動對稱于傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動失去這種對稱性的光統(tǒng)稱偏振光。常見的偏振應(yīng)擁有1.電子表的液晶顯示用到了偏振光。2.在攝影鏡頭前加上偏振鏡消除反光。3攝影時(shí)控制天空亮度，使藍(lán)天變暗。4.使用偏振鏡看立體電影5、生物的生理機(jī)能與偏振光6、汽車使用偏振片防止夜晚對面車燈晃眼偏振態(tài)的定義與分類線偏振光在光的傳播過程中，只包含一種振動，其振動方向始終保持在同一平面內(nèi)，這種光稱為線偏振光（或平面偏振光)。你可以通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)想象這是一種什么景象：你把一根繩子的一頭拴在鄰居院子里的樹上，另一頭拿在你手里。再假定繩子是從籬笆的兩根竹子的正當(dāng)中穿過去的。如果你現(xiàn)在拿繩子上下振動，繩子產(chǎn)生的波就會從兩根竹子之間通過，并從你的手傳到那棵樹上。這時(shí)，那座籬笆對你的波來說是"透明的"。但是，要是你讓繩子左右波動，繩子就會撞在兩根竹子上，波就不會通過籬笆了，這時(shí)這座籬笆就相當(dāng)于一個(gè)起偏振器件。部分偏振光光波包含一切可能方向的橫振動，但不同方向上的振幅不等，在兩個(gè)互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，這種光稱為部分偏振光。自然光和部分偏振光實(shí)際上是由許多振動方向不同的線偏振光組成。當(dāng)光線從空氣（嚴(yán)格地說應(yīng)該是真空）射入介質(zhì)時(shí)，布儒斯特角的正切值等于介質(zhì)的折射率n。由于介質(zhì)的折射率是與光波長有關(guān)的，對同樣的介質(zhì)，布儒斯特角的大小也是與光波長有關(guān)的。以光學(xué)玻璃折射率1.4-1.9計(jì)算，布儒斯特角大約為54-62度左右。當(dāng)入射角偏離布儒斯特角時(shí)，反射光將是部分偏振光。橢圓偏振光在光的傳播過程中，空間每個(gè)點(diǎn)的電矢量均以光線為軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且電矢量端點(diǎn)描出一個(gè)橢圓軌跡，這種光稱為橢圓偏振光。迎著光線方向看，凡電矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的稱右旋橢圓偏振光，凡逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的稱左旋橢圓偏振光。橢圓偏振光中的旋轉(zhuǎn)電矢量是由兩個(gè)頻率相同、振動方向互相垂直、有固定相位差的電矢量振動合成的結(jié)果(見波片)。圓偏振光旋轉(zhuǎn)電矢量端點(diǎn)描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光的特殊情形。在我們的觀察時(shí)間段中平均后，圓偏振光看上去是與自然光一樣的。但是圓偏振光的偏振方向是按一定規(guī)律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機(jī)的，沒有規(guī)律的。3.2偏振光的旋光效應(yīng)當(dāng)一束線偏振光光透過某種透明介質(zhì)后，出射光的振動面相對入射光的振動面旋轉(zhuǎn)了一定角度，這種現(xiàn)象即是旋光效應(yīng)。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。除了自然旋光外，一些不能自然旋光的物質(zhì)在電場、磁場、應(yīng)力等外界因素的影響下，也能使透過它的偏振光發(fā)生偏振角度旋轉(zhuǎn)，這樣的旋光效應(yīng)有：磁致旋光效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)、光彈效應(yīng)等。自然旋光效應(yīng)自然界中存在一些物質(zhì),當(dāng)線偏振光沿光軸方向通過這些物質(zhì)后,其偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn),即發(fā)生旋光現(xiàn)象,稱之為自然旋光。旋光現(xiàn)象最早由阿拉果在石英晶體中發(fā)現(xiàn),隨后畢奧發(fā)現(xiàn)一些各向同性的氣體和液體也具備該特性;而一些不具備自然旋光本領(lǐng)的晶體在磁場的作用下,偏振面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng),該現(xiàn)象在1846年由法拉第首次發(fā)現(xiàn),也稱為法拉第效應(yīng)。線偏振光沿光軸方向入射到晶體中,其光強(qiáng)可以分解為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光,對應(yīng)的折射率分別為nL和nR,它們在晶體中傳播距離l后產(chǎn)生的相位差可以用角位移表示為在外加磁場為零的情況下,晶體本身滿足nL－nR≠0,則該晶體具備自然旋光特性,自然旋光是晶體本身具有的一種旋光本領(lǐng),不需要外加磁場,可以直接測量該旋光晶體的偏轉(zhuǎn)角,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。只有在外加磁場不為零時(shí),晶體才滿足nL－nR≠0,則該晶體為磁光晶體,利用法拉第效應(yīng)來描述,測量其偏轉(zhuǎn)角時(shí)需要外加磁場,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,通過直流勵磁和交流勵磁的開關(guān)來控制恒定磁場和時(shí)變磁場磁光調(diào)制器是由在鋱玻璃周圍環(huán)繞交流激勵電信號的勵磁線圈構(gòu)成。假定線圈所加交流電信號為i=i0sin(ωt)時(shí),產(chǎn)生的時(shí)變磁場為B=B0sin(ωt),則晶體的磁致旋轉(zhuǎn)角θ=θ0sin(ωt),根據(jù)馬呂斯定律I=I0cos2α,檢偏器的輸出光強(qiáng)可得其中α為起偏器和檢偏器主截面的初始夾角。利用三角函數(shù)公式,式(2)可變形為當(dāng)α=0,將cos(δsin(ωt))=J0(δ)+2J2(δ)cos(2ωt)+4J4(δ)cos(4ωt)+…代入式(3)可得可以發(fā)現(xiàn):起偏器和檢偏器偏振軸平行時(shí),輸出光中出現(xiàn)了調(diào)制信號的倍頻信號。4.旋光問題的應(yīng)用4.1.光學(xué)隔離器法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角旋光方向與磁場方向有關(guān),與傳播方向無關(guān)。如果光往返通過磁光晶體,由本身自然旋光引起的偏轉(zhuǎn)角與磁場方向有關(guān)而抵消掉。如圖5所示,當(dāng)法拉第效應(yīng)引起的偏轉(zhuǎn)角為π/4時(shí),反射光通過法拉第盒后的偏振方向與起偏器P1方向正交而無法通過。此現(xiàn)象表明法拉第旋光效應(yīng)是一個(gè)不可逆的光學(xué)過程,可利用這種現(xiàn)象制成或單通光閘等器件。4.2糖濃度檢測糖濃度檢測現(xiàn)狀糖濃度的檢測技術(shù)是食品分析技術(shù)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,或者是由于被測組分和干擾成分的性質(zhì)以及它們在食品中存在的數(shù)量的差異,所選擇的檢測方法也各不相同。食品分析采用的方法有感官檢驗(yàn)法!化學(xué)分析法!儀器分析法!微生物分析法和酶分析法。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中與在工業(yè)生產(chǎn)中都各自有常用的一些方法。2.糖濃度檢測原理線偏振光通過某些物質(zhì)的溶液后，偏振的振動面將旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)的角度稱為該物質(zhì)的旋光度。通常用旋光儀來測量物質(zhì)的旋光度。溶液的旋光度與溶液中所含旋光物質(zhì)的旋光能力、溶液的性質(zhì)、溶液濃度、樣品管長度、溫度及光的波長等有關(guān)。當(dāng)其它條件均固定時(shí)，旋光度與溶液濃度C呈線性關(guān)系，即Θ=βC上式中，比例常數(shù)β與物質(zhì)旋光能力、溶劑性質(zhì)、樣品管長度、溫度及光的波長等有關(guān)，C為溶液的濃度。物質(zhì)的旋光能力用比旋光度即旋光率來度量，旋光率用下式表示：(2)上式中右上角的t表示實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度（單位光：oC),λ是指旋光儀采用的單色光源的波長(單位：nm)，θ為測得的旋光度(o)，l為樣品管長度（單位：dm），C為溶液濃度（單位：g/100mL）。由式可知：①偏振光的振動面是隨著光在旋光物質(zhì)中向前進(jìn)行而逐漸旋轉(zhuǎn)的，因而振動面轉(zhuǎn)過角度θ透過的長度l成正比；②振動面轉(zhuǎn)過的角度θ不僅與透過的長度l成正比，而且還與溶液濃度C成正比。如果已知待測物質(zhì)濃度C和液柱長度l，只要測出旋光度θ就可以計(jì)算出旋光率。如果已知液柱長度l為固定值，可依次改變?nèi)芤旱臐舛菴就可測得相應(yīng)旋光度θ。并作旋光度θ與濃度的系直線，從直線斜率、長度l及溶液濃度C，可計(jì)算出該物質(zhì)的旋光率；同樣也可以測量旋光性溶液的旋光度θ，確定溶液的濃度C。旋光性物質(zhì)還有右旋和左旋之分。當(dāng)面對光射來方向觀察，如果振動面按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則稱右旋物質(zhì)；如果振動面向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱左旋物質(zhì)。表1給出了一些藥物在溫度t=20oC,偏振光波長為鈉光λ589.3nm(相當(dāng)于太陽光中的D線)時(shí)的旋光率。3.3油霧濃度檢測油霧濃度檢測現(xiàn)狀隨著油霧潤滑技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對于油霧潤滑技術(shù)的性能參數(shù)油霧濃度的定量檢測越來越引起人們的重視。油霧濃度檢測一直是油霧潤滑領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)，至今沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其原因主要是：測量具有特殊性，不能用慣用的燃燒方法或化學(xué)反應(yīng)方法；油霧的表面張力大，吸附性強(qiáng)等。以上這些都限制了慣用的測量方法運(yùn)用于油霧濃度測量。目前油霧濃度檢測方法從檢測原理可以分為兩類：一類是直接測量法，主要是運(yùn)用自動粒子計(jì)數(shù)器和紅外氣體分析儀直接對油霧進(jìn)行測量；另一類是間接測量法，主要是對油霧中的油滴進(jìn)行吸附或間接的獲取油霧濃度的相關(guān)參數(shù)然后再使用稱重分析法、熒光分析法、近紅外光分析法、介電常數(shù)法、靜電電流法、散射法、閃爍法等進(jìn)行分析計(jì)算。以上方法測量精度較難保證，且難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測量。油霧具有旋光性，且為左旋，當(dāng)偏振光通過油霧時(shí)其振動面會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，本研究將偏振光旋光原理運(yùn)用在油霧濃度的檢測方面，實(shí)踐證明這種嘗試是正確的，測量效果令人滿意。油霧濃度檢測原理當(dāng)線偏振光通過某些物質(zhì)后，光矢量的振動方向繞著光傳播方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。對于旋光性溶液來說，旋光角度θ與溶液濃度C之間的關(guān)系可以表示為，式中t代表測定時(shí)的溫度；λ為入射到被測物質(zhì)的光波波長；d為偏振光所經(jīng)過溶液的長度；為比旋光度。在t和λ一定，α和d確定后，使偏振光通過待測溶液，利用溶液對偏振光的旋光作用便可以檢測出溶液的濃度[3-4]，其表達(dá)式為C=θ/αd。當(dāng)線偏振光通過磁場作用的法拉第旋光器時(shí)，光矢量的振動方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，角度的大小與磁場強(qiáng)度成正比，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng)。偏轉(zhuǎn)角度φ與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系可以表示為φ=VHL，式中V為旋光材料的費(fèi)爾德常數(shù)，L為光經(jīng)過旋光材料的路徑長度[5、14]。3.4光電裝備隱身技術(shù)“貓眼”效應(yīng)普遍存在于光電裝備的光學(xué)窗口中，是對方實(shí)施光學(xué)窗口主動偵測的物理依據(jù)。激光主動探測技術(shù)就是利用貓眼效應(yīng)，通過發(fā)射激光束實(shí)現(xiàn)對光學(xué)目標(biāo)的掃描、偵察和識別。目前，美、俄等軍事強(qiáng)國已經(jīng)裝備了比較完備的集光學(xué)窗口偵測、干擾和致盲為一體的激光武器系統(tǒng)，在近年來的幾次局部戰(zhàn)爭中，激光主動探測系統(tǒng)憑借其較高的定位精度和快速的探測速度大大提高了戰(zhàn)場武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，凸顯出驚人的作戰(zhàn)效果和威力，而國內(nèi)對“貓眼”效應(yīng)的研究還處于理論分析和實(shí)驗(yàn)室研究階段，在應(yīng)用領(lǐng)域還是空白，在對方具備實(shí)施“貓眼”主動偵測的條件下，即使我方采用被動觀測方式，如微光夜視儀、熱像儀等各種夜視裝備，也會暴露無遺。如若不采取反偵測措施，我方必將受到對方激光偵測及其武器系統(tǒng)的壓制和破壞，造成光電裝備迷盲、失控和失效，因此“貓眼效應(yīng)”已經(jīng)成為光電裝備的探測威脅。如何降低“貓眼效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)光電裝備的“隱身”，成為提高光電裝備戰(zhàn)場生存能力亟待解決的問題。目前，國內(nèi)在光電裝備隱身技術(shù)研究上相對滯后，提到了用蜂窩板裝置實(shí)現(xiàn)狙擊步槍瞄準(zhǔn)鏡的隱身，但是其僅限于在狙擊槍瞄準(zhǔn)鏡上使用且加裝蜂窩板后瞄準(zhǔn)鏡的觀察距離會大大降低；提出通過增加光敏面的離焦量、在光敏面上鍍增透膜或?qū)饷裘孢M(jìn)行漫反射處理等方法進(jìn)行光電裝備隱身，但這些方法會改變原有光電裝備的光學(xué)結(jié)構(gòu)，甚至嚴(yán)重影響光電裝備的探測性能。由此可見，如何在不改變光學(xué)結(jié)構(gòu)及犧牲有限光電裝備光學(xué)性能的前提下，有效實(shí)現(xiàn)隱身成為光電裝備反偵測技術(shù)的關(guān)鍵。現(xiàn)從降低貓眼回波功率出發(fā)，基于特殊晶體的磁致旋光效應(yīng)，利用晶體的旋光與互易特性，設(shè)計(jì)了光電裝備光學(xué)窗口外置隱身裝置。基于磁致旋光效應(yīng)的隱身原理前人的實(shí)驗(yàn)證明，對于一定波長的光，法拉第旋轉(zhuǎn)角θ與晶體的厚度Ｄ成正比，表示為：（3-9）式（3-9）中，為費(fèi)德樂常數(shù)，Ｂ為磁場強(qiáng)度。磁致旋光晶體的另一重要特性為旋轉(zhuǎn)方向的非互易性。對給定的物質(zhì)，光振動面的旋轉(zhuǎn)方向僅由磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ的方向決定，與光的傳播方向并與Ｂ同向或反向無關(guān)，這一特點(diǎn)可使光在介質(zhì)中往返數(shù)次而使旋轉(zhuǎn)角度加大。利用旋光晶體的上述特性，選取一定長度的晶體，使探測激光進(jìn)入晶體且經(jīng)貓眼系統(tǒng)反射折回后振動方向發(fā)生變化，配合偏振器件的使用達(dá)到阻止貓眼回波的隱身效果[8～９]。隱身裝置設(shè)計(jì)基于磁致旋光晶體的旋光特性，設(shè)計(jì)了光電裝備光學(xué)窗口外置隱身裝置，圖3-3為其原理圖。隱身裝置由一個(gè)偏振片和一定長度的磁致旋光晶體組成，加載與光軸方向同向的磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與旋光晶體的長度能夠保證線偏振光一次穿過后振動方向旋轉(zhuǎn)45°。圖3.3隱身裝置原理圖光電裝備處于正常工作狀態(tài)時(shí)，給晶體加以沿光軸方向的磁場，此時(shí)不影響光學(xué)窗口正常觀察和瞄準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)探測系統(tǒng)發(fā)射的探測激光通過偏振片時(shí)，探測激光變?yōu)楹推衿较虻木€偏振光，經(jīng)過旋光晶體后偏振方向旋轉(zhuǎn)45°。偏振光經(jīng)隱身裝置透射進(jìn)入貓眼系統(tǒng)后按原路返回再次經(jīng)過旋光晶體，偏振方向再次旋轉(zhuǎn)45°，旋轉(zhuǎn)角疊加至90°。此時(shí)，線偏振光的振動方向與偏振片偏振方向垂直，根據(jù)馬呂斯定律，此時(shí)線偏振光不能透過，因此，貓眼目標(biāo)回波被截止在了隱身裝置內(nèi)部。顯然，此時(shí)主動探測系統(tǒng)已探測不到回波信號，貓眼目標(biāo)淹沒在背景中，達(dá)到隱身的效果。旋光效應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹坑^察偏振光通過旋光物質(zhì)的現(xiàn)象了解旋光儀的結(jié)構(gòu)原理學(xué)習(xí)用旋光儀測量旋光性溶液的旋光率和溶液【實(shí)驗(yàn)原理】光是電磁波，它的電場和磁場矢量互相垂直，且又垂直于光的傳播方向。通常用電矢量代表光矢量，并將光矢量與光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為振動面。在傳播方向垂直的平面內(nèi)，光矢量可能有各種各樣的振動狀態(tài)，被稱為光的偏振態(tài)。若光的矢量方向是任意的，且各方向上光矢量大小的時(shí)間平均值是相等的，這種光稱為自然光。若光矢量可以采取任何方向，但不同的方向其振幅不同，某一方向振動的振幅最強(qiáng)，而與該方向垂直的方向振動最弱，則稱為部分偏振光。若光矢量的方向始終不變，只是它的振幅隨位相改變，光矢量的末端軌跡是一條直線，則稱為線偏振光。當(dāng)線偏振光通過某些透明物質(zhì)（例如糖溶液）后，偏振光的振動面將以光的傳播方向?yàn)檩S線旋轉(zhuǎn)一定角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)的角度φ稱為旋光度。能使其振動面旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為旋光性物質(zhì)。旋光性物質(zhì)不僅限于像糖溶液、松節(jié)油等液體，還包括石英、朱砂等具有旋光性質(zhì)的固體。不同的旋光性物質(zhì)可使偏振光的振動面向不同方向旋轉(zhuǎn)。若面對光源，使振動面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為右旋物質(zhì)；使振動面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為左旋物質(zhì)。偏振光在國防、科研和生產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)用：海防前線用于了望的偏光望遠(yuǎn)鏡，立體電影中的偏光眼鏡，分析化學(xué)和工業(yè)中用的偏振計(jì)和量糖計(jì)都與偏振光有關(guān)。激光光源是最強(qiáng)的偏振光源，高能物理中同步加速器是最好的X射線偏振源。隨著新概念的飛躍發(fā)展，偏振光成為研究光學(xué)晶體、表面物理的重要手段如圖1所示，線偏振光通過某些物質(zhì)的溶液（如蔗糖溶液等）時(shí)，偏振光的振動面將旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)的角度ψ稱為旋光度。實(shí)驗(yàn)證明，線偏振光通過旋光性溶液后，其旋光度與溶液的化學(xué)濃度c成正比，也與光所通過的液體層厚度L成正比，即ψ=αcL（1）式中ψ的單位是°（度），c的單位是g/cm^3，L的單位是dm（10cm），α表征了物質(zhì)的旋光性質(zhì)，稱為旋光率，它在數(shù)值上等于線偏振光通過厚度為10cm，濃度為1cm^3溶液含1g旋光物質(zhì)的液體層后，其偏振面旋轉(zhuǎn)的角度。實(shí)驗(yàn)還表明，同一旋光物質(zhì)對不同波長的光有不同的旋光率；在一定溫度下，它的旋光率與入射光波長λ^2成反比，即隨波長λ的減小而迅速增大，故一般用鈉黃光（λ=5893nm）測定旋光率。若已知待測旋光性溶液的濃度c和液層厚度L，測出相應(yīng)的旋光度ψ后，就可由式（1）求出其旋光率。當(dāng)液體層厚度L不變時(shí)，若依次改變濃度c，測出相應(yīng)的旋光度ψ，然后畫出其曲線ψ~c曲線后，可測量光通過濃度待測的同種溶液的旋光度ψ，由ψ~c曲線查出對應(yīng)的濃度，即待測液體的濃度。某些晶體（如石英晶體）也具有旋光性質(zhì)，其旋光度ψ=αd，其中d為晶體通光方向的厚度，單位為毫米(mm),可見，晶體的旋光率的數(shù)值上等于偏振光通過1mm的晶體后偏振面的旋轉(zhuǎn)角度。上述忽略了溫度及溶液濃度對旋光率的影響，實(shí)際上旋光率α與溫度及濃度有關(guān)，例如在20°時(shí)，對鈉黃光蔗糖水溶液的旋光率為α20=66.412+0.01267c-0.000376c^2其中，濃度c=0~50g/dm^3當(dāng)溫度t偏離20°附近時(shí)，在14~30°時(shí)，其旋光率隨溫度變化的關(guān)系為Αt=c20[1-0.00037（t-20）]即在20°附近，溫度每升高或降低1°，蔗糖水溶液的旋光率減小或增加0.24%。【實(shí)驗(yàn)裝置】旋光儀，溶液，測管。旋光儀；實(shí)驗(yàn)時(shí)用光強(qiáng)檢測器替代（1）打開電源，使鈉燈預(yù)熱5分鐘（2）調(diào)節(jié)光強(qiáng)測量器。（3）確定參考點(diǎn)：調(diào)檢偏器旋鈕，使光強(qiáng)度為0，記下檢偏器上讀數(shù)。（4）液體應(yīng)裝滿測試管，若有氣泡，氣泡應(yīng)在試管的突起處，再將試管插入兩偏振片中間，（5)旋轉(zhuǎn)檢偏器使光強(qiáng)再次為0記下讀數(shù)，即為完成一次測量，重復(fù)五次。（6）測量液層厚度L不變，但是在不同濃度下溶液的旋光度ψ，在坐標(biāo)紙上作出ψ~c曲線，并由此求出該物質(zhì)的旋光率。（7）測出待測溶液的旋光度ψ，由上述ψ~c曲