[科普中國(guó)]-二向色性

簡(jiǎn)介

大部分晶體在自然光入射的情況下產(chǎn)生的o光和e光的強(qiáng)度相等。但是，也有一些晶體對(duì)兩支折射光的吸收相差很大，這種性質(zhì)叫做二向色性。利用晶體的二向色性可以制作偏振片。

二向色性是指物質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)依賴于入射光的偏振狀態(tài)。早在1815年拜厄特(Biot)就發(fā)現(xiàn)了電氣石晶體的二向色性(dichorism)利用它制造出第一批電氣石起偏器。

解釋我們知道，一個(gè)自然光的平行光束可看作是由在垂直于傳播方向的任何兩個(gè)相互正交方向上偏振的兩個(gè)互不相干的等振幅光束組成。選擇晶體中主振動(dòng)方向作為這兩部分光束的振動(dòng)方向，如果E是進(jìn)入晶片的兩個(gè)部分光束中每一個(gè)的振幅，則在晶片中傳播距離L后、它們的振幅為：

假定入射光是準(zhǔn)單色的、平均頻率為w。,傳播速度為v。那么

總強(qiáng)度：

式中 。如果兩個(gè)衰減指數(shù)K1、K2差別很大，則相當(dāng)薄的一片物質(zhì)就足以把入射的非偏振光束變換為近似線偏振光束，即晶片起著起偏振器的作用。如果 //》K⊥，例如把H片沿//方向拉伸，則⊥方向?yàn)槠渫刚褫S方向。

相關(guān)知識(shí)：晶體的雙折射

一束單色光在晶體表面折射時(shí)（如圖所示），一般可以產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象叫做雙折射。兩束折射光中，有一束總是遵守折射定律，稱為尋常光，用符號(hào)o表示；另一束一般不遵守折射定律，稱為非常光，用符號(hào)e表示。o光和e光都是線偏振光。

為了說(shuō)明o光和e光的振動(dòng)方向和傳播方向，需要了解晶體內(nèi)某些特殊的方向和平面：

光軸-晶體內(nèi)一個(gè)特殊的方向，當(dāng)光沿這個(gè)方向傳播時(shí)，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，并且o光和e光的傳播速度相等。只有一個(gè)光軸方向的晶體，稱為單軸晶體（如方解石、石英、紅寶石等）。有兩個(gè)光軸方向的晶體，稱為雙軸晶體（如云母、霰石、藍(lán)寶石等）。

主平面——由o光和光軸組成的面稱o主平面；由e光和光軸組成的面稱e主平面。o光的電矢量振動(dòng)方向垂直于o主平面，e光的電矢量振動(dòng)方向則在e主平面內(nèi)。

主截面——由光軸和晶體表面法線組成的面?？梢宰C明，當(dāng)光線以主截面為入射面時(shí)，o光和e光都在主截面內(nèi)，這時(shí)主截面也是o光和e光的共同主平面。

晶體產(chǎn)生雙折射的原因，在于晶體在光學(xué)上的各向異性。由電磁理論可以證明，對(duì)于晶體內(nèi)除光軸外的一個(gè)給定的方向，允許兩束電矢量互相垂直的線偏振光以不同的速度傳播。對(duì)于單軸晶體，其中一束光的速度不隨傳播方向改變，這就是o光。它的波面是一個(gè)球面。另一束光的速度隨傳播方向改變，這就是e光，它的波面是一個(gè)以光軸為對(duì)稱的回轉(zhuǎn)橢球面，其方程為

式中是o光折射率，是e光沿垂直于光軸方向傳播時(shí)的折射率，是e光線與光軸的夾角，c是真空中光速。負(fù)晶體（）和正晶體（）的o光、e光波面分別如圖所示。利用波面的概念，由惠更斯作圖法便可求出晶體中o光和e光的折射方向。

應(yīng)該注意，晶體中e光線的傳播速度和方向一般地與它的波陣面的傳播速度和方向（沿波陣面法線方向）不同，后者稱為法線速度。法線速度矢量端點(diǎn)描繪的軌跡是法線面，它與波面的幾何關(guān)系如圖所示，其方程為

式中表示法線速度，表示法線速度矢量與光軸的夾角。法線面的空間形狀是一以光軸為對(duì)稱軸的卵形面。

利用晶體的雙折射現(xiàn)象，可以制成各種偏振棱鏡，使我們直接從自然光獲得偏振光。

大部分晶體在自然光入射的情況下產(chǎn)生的o光和e光的強(qiáng)度相等。但是，也有一些晶體對(duì)兩支折射光的吸收相差很大，這種性質(zhì)叫做而向色性。利用晶體的二向色性可以制作偏振片。12

在微觀領(lǐng)域在微觀領(lǐng)域，分子的光吸收率不是一個(gè)標(biāo)量，而是具有一定的方向性（矢量）。若三個(gè)方向的吸收系數(shù)不同，則兩系數(shù)之差稱為二向色性。宏觀上吸收率的二向色性表現(xiàn)為吸收系數(shù)具有方向性，宏觀上的二向色性既與分子的二向色性有關(guān)，也與分子排列有關(guān)，故二向色性可作為取向度的一種表征方法。另外，大分子鏈上某些官能團(tuán)具有一定的方向性，它對(duì)振動(dòng)方向不同的紅外光亦會(huì)表現(xiàn)出二向色性，稱為紅外二向色性。

應(yīng)用制作彩色偏振片：

定向排列的金屬絲柵和碘硫酸奎與“結(jié)品、定向嵌入透明塑料膠片上的碘和某些染料都有良好的二向色性。因此它們都是制作不同用途的偏振器的好材料。

在e方向與0方向碘的吸收有明顯的差別，并隨波長(zhǎng)變化。land等人利用這一差別制造出通常帶藍(lán)色或棕色的H偏振J于。我們經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)某些含細(xì)長(zhǎng)分子的染料也具有相當(dāng)好的二向色性?？梢岳盟圃炱渌噬衿?。如用：

直接桃紅+直接銀灰、制造紅色偏振片

直接凍黃+直接紅棕、制造黃色偏振片

直接墨綠、制造綠色偏振片

直接棗紅一制造紫色偏振片

配制染料溶液時(shí),除用相應(yīng)的染料外，并加入少量的氫氧化鈉。

用染料制造彩色偏振片的大體工序是：首先把染料加熱成高溫溶液,再把透明塑料膠片投入，使染料分子擴(kuò)散進(jìn)入片內(nèi)，最后再用拉伸法使染料分子做單向排列。此外還有一種摩擦法，使染料和透明塑料膠片表面直接摩擦，染料分子便平行附著于膠片上，效果相同。

透明塑料膠片也可以用聚乙烯醇制造。制造H片的浸碘、拉伸、粘合工藝同樣適用于彩色偏振片的制造。只不過(guò)這時(shí)用染料代替碘。另外，在粘合方面，無(wú)色透明的環(huán)氧樹脂光學(xué)膠從紫外，可見光到紅外有相當(dāng)好的光譜透過(guò)率，又有良好的耐介質(zhì)性能，是偏振片較為理想的粘合劑。使用時(shí)工作室溫提高到30℃左右，粘合件預(yù)熱到40℃左右，這時(shí)，環(huán)氧膠的粘度下降到100（mpa·s），粘起來(lái)并不感到困難。與H偏振片一樣，彩色偏振片內(nèi)染料分子加得愈多，片的偏振度愈高，而相應(yīng)片的光透射效率降低。3