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小火龙果

2024-08-16 15:57

旋光性 | RP 系列激光分析设计软件

旋光性是物质引起旋光或圆二色性的能力。
旋光性是线偏振光通过某些透明物质时，光的偏振方向逐渐顺时针（右旋）或逆时针（左旋）旋转的现象。它与圆双折射有关，如下所述：
圆二色性是不同圆偏振方向的光学吸收系数的差异。
还有与偏振相关的反射率和各种非线性效应的相关现象。光学活动也可以发生在太赫兹辐射区域。
请注意，因为旋光性是物质表现出这种效应的主要能力，所以它不依赖于偏振光的存在，即不依赖于旋光或偏振相关吸收的实际发生。换句话说，即使在黑暗中，物质也可以具有光学活性。

旋光性的原因

由于对称性的原因，旋光在许多情况下都不会发生——本质上是因为没有什么东西可以支持偏振向左旋转而不是向右旋转。然而，这种对称性被打破的典型情况是含有分子的介质，其结构使得该结构的镜像与原始结构不同。此类分子称为手性分子；对于它们中的每一个，都存在两种不同的版本（称为对映异构体，或更普遍地称为立体异构体）。最简单的想象情况是螺旋形式的分子，沿某个方向缠绕。
液体中分子的随机取向并不能消除手性的不对称性。
人们可能会期望手性对称可以通过这些分子的随机方向有效地恢复，但事实并非如此；例如，一个旋转180°的左旋螺旋分子仍然是左旋的，也就是说，与光的相互作用方式与原来的方向相同。
旋光性在外消旋混合物中受到抑制，该混合物含有具有相同密度的分子的两个手性版本。
请注意，如果左旋和右旋形式以相同的密度出现（外消旋混合物），则在含有此类分子的液体中仍然观察不到旋光。合成物质通常就是这种情况，而生物体通常只产生一种形式的分子。在这方面最早的发现是 Louis Pasteuer 在 1849 年的发现。他观察到天然酒石酸会引起旋光，而化学合成的酒石酸则不会。然后他还发现酒石酸单晶有两种不同的形状，一种是另一种的镜像，这最终导致酒石酸由手性分子组成的发现。后来发现，这种手性不对称性实际上在生命世界中相当普遍，例如在天然蔗糖（普通糖）等糖中，它只包含右旋版本。这种惊人的不对称性与以下事实有关：产生糖的生物有机体对于许多其他类型的重要分子具有相同的不对称性，并且相对分子的手性可以极大地影响其化学反应动力学，尽管不同的对映体表现出完全相同的化学行为。
有趣的是，在表现出局域性基本属性的物理模型中没有发现光学活动。旋光性与非局部材料响应有关，其中一个位置的偏振取决于稍微不同位置的电场。
光学活性也可以发生在晶体材料中，其中手性由晶格结构产生。例如，α-石英是单向双折射的，因此对于沿其光轴传播的光不具有线性双折射，但表现出旋光性。（在各种其他双折射晶体材料中观察到相同的效果，例如方解石。）这可以解释为三个不同晶面的周期性重复的结果。然而，详细分析相当复杂。
在适当构造的光子超材料中也可以获得强的光学活性。
磁致旋光用于光隔离器。
虽然旋光性通常与天然手性物质有关，如上文所述，偏振旋转也可以通过将某些物质暴露在磁场中获得。这就是所谓的法拉第效应，特别是在法拉第旋转器和法拉第隔离器中。法拉第效应可以称为磁诱导旋光，尽管通常不称之为旋光性，这是介质的一种特性。

圆双折射

人们还可以将旋光性描述为圆偏振光的两个相反旋转方向之间的光速（相速度）之差。介质的这种特性称为圆双折射。
线偏振光可以被认为是圆偏振光在两个方向上等幅的叠加。在圆双折射介质中传播期间，两个圆偏振分量之间获得线性增加的相移。该相移随后导致线性偏振方向的改变。因此，圆双折射与旋光度直接相关；不可能有圆形双折射但没有旋光性，而旋光性意味着两者。
当已知与圆双折射相关的折射率差时，可以很容易地计算出偏振旋转量；所得公式如下：

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其中L是介质的长度，λ是真空波长。
也存在左右偏振光的拉曼散射强度不同的介质；这种现象被称为拉曼旋光性，类似于普通旋光性。一个更一般的术语，也包括振动圆二色性，是振动光学活性。

光学活性测量

旋光度（称为旋光力）可以用旋光计测量，例如在糖溶液中。它通常不仅取决于手性分子的浓度，还取决于波长、温度和所使用的溶剂。
虽然基本测量原理相当古老，但这些仪器多年来已经进行了大幅修改，现在可以进行高精度测量。甚至还有自动化旋光仪，集方便、高速和高精度于一体。

非线性极化旋转

光的偏振态也会因双折射介质中的非线性传播而发生变化。这通常称为非线性偏振旋转，尽管在这种情况下通常不能假设保持线性偏振方向。只是，可以改变偏振状态，使得对于偏振器的不同取向获得通过线性偏振器的最佳传输，然后对于线性（低强度）传播而言。

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