石英晶体材料旋光度的微控测试方法

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【摘要】通过精确控制检偏器的旋转方位,可以对线偏振光通过石英晶体旋转的角度进行精确地测量。当检偏器与起偏器的偏振方向垂直时,此时消光且光功率计读数最小。利用计算机上的步进电机控制系统来控制检偏器的旋转,由计算机读出两次消光时检偏器旋转的角度,精度达到0.025,从而实现了对石英晶体旋光度的精确测量。

【关键词】偏振光 旋光度 起偏器

【中图分类号】O436.3 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08-0132-01

1 引言

在晶体的研究和应用中,常常需要知道晶体的旋光度,因此精确测量其旋光度显得非常必要。测量旋光物质的旋光度,人们曾做过一些工作,比较准确的有“半荫法”,但用“半荫”偏振计构成的“半荫”视场[1],理论上判断角度的误差小于0.1°。但是由于人眼观测主观性较强及光路调整的不便,测量角度的误差往往较大。本文利用步进电机控制系统来控制检偏器的旋转,测量精度达到0.025°,由于系统采用计算机控制避免了人为因素的影响,测试结果可靠,测试过程快捷方便,对研究晶体材料和器件偏光特性较为实用。

2 石英旋光度的测量

线偏振光通过某些晶体后,振动面将旋转一个角度,我们将线偏振光通过晶体厚度为1mm时转过的角度叫做这种晶体的旋光度。对于一定的波长和温度,振动面旋转的角度正比于晶体的厚度。对于不同的波长,旋光度则不同[2]。下面我们利用He-Ne激光器(波长为632.8nm)作为光源来测量石英晶体的旋光度.测量光路如图1所示,其测试方法如下:

第一步:He-Ne激光器发出的光依次通过起偏器P1,检偏器P2,硅光探测器D。D与激光功率计L相连,P1、P2都放在步进电机上,两步进电机与步进电机控制器A相连,A再与计算机J相连。He-Ne激光器发出的光通过P1后变为线偏振光,通过计算机上的步进电机控制系统软件控制检偏器的旋转(起偏器不动),当检偏器与起偏器的偏振方向垂直时,此时消光且L读数最小,停止检偏器的旋转,并确定出P2的起始方位。

第二步:在P1和P2之间放置一块石英晶体样品S,样品是按设计要求严格加工,角度误差

我们可以根据要求设计控制P2步进的角度,并从计算机上读出两次消光时检偏器转动的角度,随后再根据样品晶体的厚度d,求出石英晶体的旋光度。

3 理论及实验结果

3.1 理论结果

在常温(即20℃)下,石英晶体的旋光度与波长的关系为:

(1)

由于我们用的是波长为0.6328um的He-Ne激光器,将波长带入(1)式可得石英晶体的旋光度:

3.2 实验结果

我们在20℃的实验环境中,对检偏器旋转的角度进行了五次测量,分别为:

因此旋转角度的平均值为58.000°。

。由于样品较厚,且检偏器旋转的角度小于90°,因此偏振面旋转的角度由下式所示:

(2)

由理论估算,我们应用且k=3,即

(3)

我们测得石英晶体的厚度d=25.75mm,将此值代入(3)式,可得

4 误差分析与结论

通过实验可知,测得值与理论值基本相符,所出现的误差与实验室环境温度和样品的不同有一定的关系,而实验过程中激光束与石英晶体样品表面法线不平行以及样品精度带来的误差影响可以通过技术改进有效避免或控制在此系统的灵敏度内,另外步进电机控制系统上显示的旋转角度与步进电机实际旋转的角度可能有微小的偏差。通过实验结果和理论结果的比较我们可以看出,由于采用计算机控制检偏器的旋转避免了人为因素的影响,测试结果的可靠性有了较大提高,且系统调整方便,测试快捷灵活。利用同样的方法增大样品的厚度,更有利于保证旋光度测试精度的提高。

参考文献

[1] 廖延彪.偏振光学[M].北京:科学出版社,2003.232－233.

[2] 姚启钧.光学教程[M].北京:高等教育出版社,2002.356－357.

[3] 高文琦.光学[M].南京:南京大学出版社,2000.193.

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

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