1、1毕业论文开题报告理论物理溴酸钠晶体的生长及光学特性研究一、选题的背景与意义旋光性又称光活性，就是指某物质在一束线偏振光透过时能使其偏振面方向转过一个角度的性质。目前已发现一些生物物质具有旋光性，例如自然界与人体中的葡萄糖是右旋的，而不同的氨基酸、DNA等也有左右旋的不同等等，这些是目前生物物理学研究的课题。一般地，手性分子都具有旋光性，而非手性分子没有旋光性。手性介质的应用,使得光学材料由一般的体材料向薄样品、薄膜化过渡,增加了实用化的可能性，合成和寻找性能良好的手性介质以及对其光学非线性进行理论表征和实验研究，已逐渐成为一门新兴的学科领域。尽管在一个半世纪以前人们就对手性分子有了认识，但手
2、性技术的迅速发展却是近二、三十年内的事，由于手性材料的研究尚处于初始阶段，还有很多技术难点有待于突破，因此目前还不能大量用于实际中。对手性晶体旋光性的研究不仅可以帮助我们了解晶体的性质，而且对于药物的开发以及新型功能材料的研制有着重要意义。天然晶体早已不能满足人类社会的需要了，现代工业对人工晶体的量和质都提出了很高的要求，对于不同的材料，需要用不同的生长方法才能生长出好的晶体。对于晶体的生长有多种方法，根据NABRO3的化学性质，本论文采用水溶液法生长NABRO3晶体，争取生长形状规则、透明无杂质缺陷的合格产品并了解它的旋光特性。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容用水溶液法生长
3、NABRO3晶体，分析NABRO3晶体的光学特性。拟解决的关键科学问题用水溶液降温法生长出比较规则，无杂质缺陷的NABRO3晶体，分析NABRO3晶体的旋光性。三、研究的方法与技术路线1、用蒸馏水配制NABRO3溶液，通过恒温蒸发法培养出籽晶，用涡流法测定溶液的饱和温度，并用降温法生长晶体。2、对所得NABRO3晶体进行研磨，使其变平整、光滑，并分析其旋光特性。2四、研究的总体安排与进度101217之前文献调研、文献翻译、文献综述及开题报告1144之前样品制备用蒸馏水配制NABRO3溶液，通过恒温蒸发法培养出籽晶，用涡流法测定溶液的饱和温度，并用降温法生长晶体。1144之前测试分析对所得NAB
4、RO3晶体进行研磨，使其变平整、光滑，并分析其旋光特性。五、主要参考文献1姚连增，晶体生长基础，合肥中国科学技术大学出版社,1995，12。2诸平，手性分子研究的过去、现在与未来2001年诺贝尔化学奖深远意义剖析，宝鸡文理学院学报自然科学版，2002，3。3溶解度数据库IUPAC/国家标准与技术协会。4张贞柯，林景臻。溴酸钠晶体生长和杂质对晶体形状影响的研究，19942010CHINAACADMEICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSE5TETSUOINOUE,KAZUMINISHIOKAEFFECTSOFIMPURITYUPONTHEHABITCHANGESINN
5、ABRO3CRYSTALSGROWNFROMAQUEOUSSOLUTION,JOURNALOFCRYSTALGROWTH21220005075116ERICRCHOLCOMB，TETSUOINOUE，KAZUMINISHIOKAHABITCHANGESINNABRO3CRYSTALSGROWNFROMANAQUEOUSSOLUTIONJOURNALOFCRYSTALGROWTH15819963363393毕业论文文献综述物理学溴酸钠晶体的生长及光学特性研究摘要晶体生长方法大致五种，根据的性质，我们采用水溶液降温法生长大块溴酸钠晶体。在晶体生长过程中，对其形态有影响的主要因素是温度、过饱和度和杂
6、质。对溴酸钠光学特性的研究（旋光性和色散等），可以了解溴酸钠晶体的许多物理化学性质，对新型光学功能材料的开发具有重要意义。关键词NABRO3，晶体生长，旋光性，色散NABRO3晶体无色透明、易溶于水，比重为3339（175），熔点为381，晶体不含结晶水，宏观外形为正四面体，属于立方体系，每个单胞包含有四个分子，其单胞参数A67051010M1。由于NABRO3晶体主要晶面任何一对之间夹角恒等7032，所以不需要任何加工就可直接代替光学玻璃用作棱镜，在光谱仪等方面得到应用1。较早出现的人工晶体是常见的食用盐氯化钠晶体，它一般是将海水晒干后得到的，这种方法属于溶液生长法，其它的晶体生长方法还有熔
7、体生长法，气相生长法，固相生长法和薄膜生长法。这些生长方法在具体实践中还有许多变种，究竟采取哪一种方法要根据材料的物理化学性质、相图以及方法本身的特点而定2。根据NABRO3晶体易溶于水等性质以及用溶液法生长晶体简单，能够生长出大的晶体等特点，又因为NABRO3在水中的溶解度随温度的升高而增大，所以我们采用水溶液降温法生长NABRO3晶体。晶体生长中会出现不同物相之间的转化过程。在这一过程中体系的温度、组分、压力等条件会影响最终生成晶体的大小、形状2。用溶液法生长晶体的主要影响因素是生长温度、过饱和度和杂质等。已有人在温度为2946C和过饱和度为LNC/CE0001（CE平衡摩尔分数）范围内观
8、察了溴酸钠（NABRO3）晶体从水溶液中生长出来这一过程，对晶体形态产生影响的主要因素是生长温度和过饱和度3。实验是这样做的将溶液样品放到一显微镜载物片上，并用一控温器控制溶液的温度；确定平衡温度后降低样品温度，溶液达到过饱和后就会生长晶体，样品温度每降低T就相应的拍一张晶体生长状态的照片；通过T数据和饱和度曲线计算出每个阶段中溶液的过饱和度。实验结果显示，晶体生长时有三种形态立方的，四面体型的和多面体型（立方与四面体的复合）的。在较高温度范围（T34C）内，随着过饱和度的增大，晶体形态是从多面体向立方体转变，多面体形态在低温范围产生，4并且随着温度的上升这一形态的区域会逐渐变大，四面体型的晶
9、体只在低温（T34C）存在。另外值得注意的是，当生长温度为345C时，一个晶体在LNC/CE0063时长成立方体形态，但是另一个在LNC/CE009时却长成四面体形态，这就说明随着过饱和度的升高四面体形态才会向立方体形态转变。对晶体形态改变的解释是基于这样一个观点形态是由晶体不同面的生长速率决定的。不规则的多面体形态的晶体容易在低过饱和度和高温范围内生长，这表明各面生长速率之间的差异会随着温度的升高和过饱和度的降低而变小，目前这种变化的原因还不清楚3。如果溶液中掺有杂质，则杂质对晶体的生长亦非常重要。在过饱和度LNC/CE0024，（CE平衡摩尔分数），生长温度2064范围内，从掺有杂质乙酸（
10、浓度为115MOL）的水溶液中生长NABRO3晶体，可以观察到，在低过饱和度范围内杂质对NABRO3晶体形态改变的影响非常重要4。这个实验操作与前面提到的大致相同，结果却有所不同。I）在低过饱和度范围内，晶体从四面体形态变成立方形态的转变温度在掺杂溶液中比纯溶液中更高。II）在掺杂的溶液中，晶体形状由四面体形态变为立方体形态的转变温度随着过饱和度的增加突然降低，并且，通过在溶液中加入杂质，在高过饱和度范围内，随着过饱和度变化的转变温度曲线向左稍微有所偏离。这两个差别要归因于杂质的影响。为了定性解释杂质对晶面生长速率的影响，该论文4中引用了三各晶体生长模型CABRERAANDVERMILYEA的
11、模型，KUBOTAANDMULLIN模型和DERKSENETAL的模型。由于没有将随时间变化的杂质吸附作用对晶层生长速率的影响考虑进去，这些模型不能解释在掺杂溶液中，在高过饱和度时，随着过饱和度变化的转变温度曲线为什么会稍微向左偏移这一现象4。通过对在水溶液中生长NABRO3晶体的研究，我们可以设置合适的温度、过饱和度和加入适量的杂质生长出符合我们要求的晶体。但生长晶体的最终目的是要其应用到实际的社会活动中，而要做到这一步我们就不得不研究晶体的相关性质，这里主要说一下其旋光性、色散性和各向同向性。旋光性又称光活性，就是指某物质在一束线偏振光透过时能使其偏振面方向转过一个角度的性质。一般地，手性
12、分子都具有旋光性，而非手性分子没有旋光性。一个线偏振的光经过手性物质时光的偏振方向会被旋转，旋转的量与该物质的量有关，并与该物质的内禀性质有关，而旋转的方向则与手性分子的结构有关。分子的旋光性不只表现在对光的电磁场的偏转性上，还表现在对圆偏振光的吸收与散射方面，这两个性质统称为5。物质的旋光特性在工业应用中比较常见的技术是“量糖术”6，另外旋光特性与物质的微观结构有着密切的关系，可以通过研究物质的旋光特性来获得物质微观结构的相关信息7。5物质的折射率随波长改变的现象称为光的色散8。广义的说，某一物理量是波长（或频率）的函数也常常称为色散8，如晶体旋光率随光波长的变化称为旋光色散。折射率随波长变
13、化的快慢程度用色散率表征，在实际中，使用光学材料时要注意它的色散率大小。各向同性亦称匀质性，就是物理、化学性质不随量度方向变化的特性，与之相反的是各向异性。对晶体这方面的研究可以得知其在电性、磁性和结构等方面的一些性质。通过晶体培养，生长出形状规则、透明度好的晶体，再对晶体的进行光学特性分析，是一个非常有意义的课题，它不但可以帮助我们掌握晶体的生长方法，了解其旋光性、色散等方面的性质而且对于新型光学功能材料的开发有着重要意义。参考文献1张贞柯,林景臻溴酸钠晶体生长和杂质对晶体形状影响的研究J人工晶体学报,1982,Z177782姚连增晶体生长基础M合肥中国科学技术大学出版社,1995,1228
14、3ERICRCHOLCOMB,TETSUOINOUE,KAZUMINISHIOKAHABITCHANGESINNABRO3CRYSTALSGROWNFROMANAQUEOUSSOLUTIONJJOURNALOFCRYSTALGROWTH,15819963363394TETSUOINOUE,KAZUMINISHIOKAEFFECTSOFIMPURITYUPONTHEHABITCHANGESINNABRO3CRYSTALSGROWNFROMAQUEOUSSOLUTIONJJOURNALOFCRYSTALGROWTH,21220005075115吴国桢旋光性J化学通报,6赵凯华光学下册M北京北京大学
15、出版社,2004,2222237向前,高英,马春红分子结构与旋光性关系的研究J吉林省教育学院学报,2007,231285878游璞,于国萍光学M北京高等教育出版社,2006,506本科毕业设计（20届）NABRO3晶体生长及光学特性研究7摘要【摘要】介绍了NABRO3这类各向同性旋光晶体，概述了几种光学晶体的生长方法，基于饱和水溶液降温法生长出主尺寸为292MM的多面体型NABRO3晶体，并从理论和实验上分析了它的光学特性。用溴钨灯所发出的白光源对NABRO3晶体的旋光色散特性进行了测试，并用最小二乘法得出在晶体中的旋光率随波的拟合曲线图。最后利用NABRO3晶体各向同性和旋光色散特性设计了一
16、种新型的光学滤波器，从理论和实验两方面对其进行了数值模拟，得到红光对绿光和绿光对红光的消光比分别为74DB和82DB，取得了良好的滤波效果。【关键词】NABRO3；晶体生长；旋光色散；滤波器。VIIIABSTRACT【ABSTRACT】APOLYHEDRALNABRO3CRYSTALWITHMAINSIZEOF292MMHASBEENINTRODUCEDANDGROWNFROMANAQUEOUSSOLUTIONBYLOWERINGTEMPERATUREOFTHESOLUTION,ITSOPTICALCHARACTERHASBEENANALYZEDINTHEORYANDEXPERIMENTUSI
17、NGBROMINETUNGSTENLAMP,WETESTTHEOPTICALROTATORYDISPERSIONOFNABRO3CRYSTAL,ANDGETTHEOPTICALROTATORYDISPERSIONCHARTBASEDONTHELEASTSQUAREMETHODBASEDONTHEOPTICALROTATORYDISPERSION,THEISOTROPYOFNABRO3CRYSTALANDTHEBRESWETERANGLE,ANEWOPTICALFILTERISDESIGNEDTHEFILTERWASANALYSEDINTHEORYANDTESTEDINEXPERIMENTWIT
18、HTWOLASERSWHICHWAVELENGTHSARE532NMAND6328NM,WEFINDTHATTHEACTUALRESULTISAGREEDWITHTHEORETICALANALYSIS【KEYWORDS】NABRO3CRYSTALGROWTHOPTICALROTATORYDISPERSIONOPTICALFILTERIX目录摘要7ABSTRACTVIII目录IX1引言102晶体生长1121晶体生长方法简介1122溶液法1223从水溶液中生长NABRO3晶体143NABRO3晶体旋光特性研究1731概念和理论简介1732实验及数据处理1833小结204利用NABRO3晶体制作光学
19、滤波器2141理论与计算2142实验测试及数据分析2343小结245总结26参考文献27致谢错误未定义书签。101引言NABRO3晶体无色透明，易溶于水，比重为3339（175），熔点为381，不含结晶水，宏观外形为正四面体，属于立方晶系，每个单胞含有四个分子，单胞参数为A67051。由于NABRO3晶体主要晶面之间的夹角都恒为7032，所以不需任何加工可直接代替光学玻璃用作棱镜，在光谱仪等方面得到应用1，而且NABRO3晶体具有各向同性和旋光特性等性质，故而对NABRO3晶体的生长及光学特性进行研究不仅可以为旋光机理的研究提供可靠的数据参考，而且能够有助于将其用于各类光学器件中。由于生产和生
20、活的多种需要，人们对晶体生长的研究已有数百年的历史，另外，随着当前激光技术等现代光电技术对高质量、高性能的晶体的大量需求，亟待寻求一种简单、廉价、便捷的晶体生长方式。目前已有人对从水溶液中生长NABRO3晶体做了一些研究。ERICRCHOLCOMB等在文献2中指出NABRO3晶体的生长形状与溶液温度和过饱和度有关，在较低温度下，晶体容易长成四面体型，在高温下，溶液过饱和度较高时长成立方体型，较低时则变为多面体型。在文献3中TETSUOINOUE等提到，在低过饱和度范围内，一定的乙酸杂质会使得晶体从四面体形态变成立方形态的转变温度在掺杂溶液中较纯溶液中高，有些杂质也会对NABRO3晶体生长速率产
21、生有益的影响，如一定比例的（如3）的NA2SO4能较大提高NABRO3晶体的成核率1。目前，已知有多种旋光晶体，如NANO3、NACLO3和石英晶体等，石英晶体由于其各向异性也就是光轴的限制，使其较之于NANO3等各向同性晶体有明显的缺点。在研究旋光色散方面，由于NABRO3晶体各向同性，并不需要实验去测定它的光轴，而且光波可在晶体里自由传播并不发生双折射现象。物质的旋光特性在工业应用中比较常见的技术是“量糖术”4，由于旋光特性与物质的微观结构有着密切的关系，可以通过研究物质的旋光特性来获得物质微观结构的相关信息5。光学滤波器是在连续光谱中用于透过一定宽度的光谱带或在线状光谱中用于提取某些光波
22、的波长选择器件6。目前研究最为成熟且应用广泛的是基于双折射滤光片或多光束干涉滤光片6，最近随着开放式激光通讯的发展，FARADAY色散光学滤波器7等新型滤波器也相继出现。也有基于物质旋光特性制作滤波器的相关研究，但其多采用石英晶体8,9，而对于利用各向同性晶体制作滤波器的报道则很少见到。本文将利用NABRO3晶体各向同性和旋光特性以及光线以布儒斯特角进行内反射时反射光P分量光强为零的特点制作光学滤波器，它制作简单，材料少，而且能够连续调制两种波长的透射光强，故还可以作为一种较为良好的双稳态器件。112晶体生长21晶体生长方法简介用人工方法生长晶体已经有几千年的历史，这其中最主要的晶体要数纯度不
23、高的氯化钠晶体，从19世纪开始，对晶体生长方法的研究逐渐发展起来。当前，我们可以用人工的方法合成或生长几乎全部的天然晶体，而且还可合成多种的非天然的新晶体，较大程度地满足了社会的需求。根据晶体生长时原料的状态对晶体生长进行分类，大致有以下五种方法10液体生长法，熔体生长法，气相生长法，固相生长法和薄膜生长法（即制备薄膜）。在具体实际中每种方法又都有许多变种，至于采取哪种方法，要根据材料的物理化学等性质决定。以下简要介绍前四种方法及其优缺点10。溶液法即是从溶液中结晶，是自然界中大量存在的一种结晶方式，又可分为降温法、恒温蒸发法、循环流动法和温差水热法等。其中最常用的是降温法，基本原理是利用溶质
24、较大的正溶解度系数，保持溶剂总量不变，逐渐降温以使晶体逐渐析出。溶液法方法简单、培养的晶体应力小以及均匀性良好，但是晶体生长速度慢，并且需要合适的溶剂和较高的控温精度。熔体法基本原理为，当结晶物质温度高于熔点时，就会熔化成熔体，当熔体温度低于凝固点时就会转变为结晶固体。它是研究和使用最广泛的一种方法，许多光学、半导体、激光技术等所需要的晶体材料多数由此法生长，又可细分为提拉法、下降法、焰熔法、导膜法和冷坩埚法等。利用熔体法，晶体生长速度较快、纯度及完整性较高，但是不适用于冷却时会发生固态相变的材料，而且还要采取合适的热处理工艺以消除热应力及部分缺陷。气相法原理是将物质通过升华、蒸发、分解等过程
25、转化为气态，并在一定条件下使之转变为饱和蒸汽，经过冷凝面结晶生长出晶体。由于气相法反应机制比较复杂，所以在方法上有许多变种，较常见的有真空蒸发镀膜法、升华法和化学气相沉积法等。用此方法生长的薄膜晶体纯度高、完整性较好，但生长速度慢且不宜生长大块晶体。固相法也称再结晶生长法，主要靠在固体材料中的扩散从而使多晶变为单晶，可细分为高压法和再结晶法等。固相法的优点是，物质可以在不添加组分的低温下进行生长而且晶体的形状可以人为控制；缺点是不适宜生长大块晶体。根据原材料和实验条件、环境的差异，选择适宜的晶体生长方法对生长出性能优异的晶体尤为重要。12NABRO3晶体易溶于水，比重为3339（175），熔点
26、为3811，并且加热时易分解，有毒。根据NABRO3晶体的这些性质以及现有的一些实验设备，我们选择用水溶液法生长NABRO3晶体。22溶液法目前，溶液法已经成为应用最广泛、工艺最成熟的晶体生长方法。以下先介绍溶液法中涉及到的一些基本概念，然后根据溶解度曲线简单介绍用溶液法生长晶体的基本规律。从溶液中生长晶体时，其中最重要、最基本的参数要数溶解度了。溶解度是指在特定温度、压力下饱和溶液的浓度。与溶质固相处于平衡状态的溶液称为该物质的饱和溶液，但实际上，有时溶液中所含的溶质量比同一条件下饱和溶液中所含的溶质量还要多，这样的溶液被称为过饱和溶液。一般溶液都有程度不同的过饱和现象。一般情况下，压力对晶
27、体的溶解度影响较小，主要是温度对其有较大的影响。对于某种特定溶剂由于对于多数的无机和有机盐而言，水是比较理想的溶剂中的某种溶质，我们可以测得其溶解度与温度之间的关系，绘制成曲线就得到溶解度曲线，它是选择生长方法和生长温度的重要依据。如图2110所示，曲线AB为较典型的溶解度曲线，它将整个溶液区划分为两部分曲线上部分称为过饱和区（或称不稳定区）；曲线下部分称为不饱和区（或称稳定区）。在过饱和区，溶液的不稳定程度是有所区别的。靠近溶解度曲线的区域里，溶液稳定性要稍好些，如果没有杂质或其它人为引入的晶核等因素干扰，则该区域里的溶液不会自发析出晶体。而稍远离溶解度曲线的区域，其溶液的稳定性就很差，即使
28、没有上述干扰，也会自发析出晶体。对于这种现象有人曾引入“不稳定过饱和”和“亚稳定过饱和”的概念，图21中的曲线AB就是划分这两个区域的分界线。从培养晶体的角度出发，我们总希望析出的溶质都只在籽晶上生长而不发生在其它地方。因此，从溶液中培养晶体的过程就是在亚稳过饱和区进行的11。13图21典型溶解度曲线要使溶液中析出晶体，就必须使溶液达到过饱和状态。由图21可知，要使C点处的不饱和溶液达到饱和，有两条路径可走CAA与CBB。CAA这条路径即是通过保持溶液浓度不变，降低溶液温度来实现的，可称为降温法。CBB是通过保持溶液温度不变，增加溶液浓度来实现的，可称为恒温蒸发法。一般情况下，对于溶解度和温度
29、系数（指的是在一定压力下，物质在溶剂中溶解的变化量W与温度变化量T的比值，即KWT）较大的物质，采取降温法较好。依据文献12所提供的NABRO3溶解度数值表，基于最小二乘法模拟绘制出溶解度曲线图21，由图知NABRO3在水溶液中的溶解度及温度系数都非常大，所以我们采取降温法来生长NABRO3晶体。图22NABRO3水溶液溶解度曲线目前，根据溶液中晶体生长的规律，人们已经设计了许多从溶液中培养晶体的方法，它们都基于同一种原理一要使溶液达到过饱和；二是避免非均匀成核，可引入籽晶，同时控14制溶液的浓度使之始终处在亚稳定饱和区，另外也要使溶液足够清洁，降低因杂质引起的非均匀成核的几率11。溶液法简单
30、并且容易生长大晶体，但生长速度较慢，且需要较高的控温精度。在一定温度T下，温度波动T对晶体生长的影响取决于T/T，对于一定的波动T，可以升高温度T来降低T/T的数值，从而减少温度波动对晶体生长的影响。对于生长速率问题，上章提到过3的NA2SO4能较大提高NABRO3晶体的成核率1。在生长大晶体之前，一般需要生长籽晶，籽晶生长的要求不需要很高，一般用恒温蒸发法。之后便开始生长大晶体，图23为从溶液中降温生长晶体的装置示意图10。1籽晶架；2晶体；3转动密封装置；4浸没式加热器；5搅拌器；6控制器（接触温度计）；7温度计；8育晶器；9有空隔板；10水槽图23水浴育晶装置生长溶液放在育晶器8里，上口
31、密封以防止溶液蒸发和外部杂质干扰。籽晶2固定在籽晶架1上，为了使籽晶始终处于均匀的过饱和溶液中，必须使得籽晶相对于溶液做匀速相对运动，这就是安装转动密封装置3的原因。整个育晶器放在一个大的水槽里以减小温度波动幅度。降温法生长晶体的关键是掌握合适的降温速度，以确保晶体始终处于亚稳过饱和，使得晶体正常生长。23从水溶液中生长NABRO3晶体先用恒温蒸发法生长籽晶，然后用降温法生长大块NABRO3晶体。籽晶生长实验设备及物品NABRO3粉末，蒸馏水，烧杯，玻璃棒，量筒，电子秤，水浴装置，控温器，恒温箱等。15实验内容一，制备30（当时室温为15左右）时NABRO3饱和溶液。将840GNABRO3粉末
32、放入装有200ML蒸馏水的烧杯中，搅拌，然后将烧杯放入温度恒为30的水浴设备中，继续搅拌直至NABRO3粉末完全溶解。二，蒸发结晶。将制备好了的NABRO3饱和溶液放入30的恒温箱中蒸发，大约一天过后，就可以得到较好的籽晶形状规则、透明无瑕疵、的小晶体。大块晶体生长实验设备及物品较好的籽晶，NABRO3粉末，蒸馏水，玻璃棒，一整套水浴育晶装置等。实验内容一，配制母液。在室温下，将1410G（根据图22，我们粗略得到72时，NABRO3水溶液中的溶解度为705G左右）NABRO3粉末放入装有2000ML蒸馏水的育晶器里，搅拌，然后将育晶器放入温度为72的育晶水槽中，继续搅拌溶液，直至粉末完全溶解
33、。二，测饱和点（温度）。由于72并非所得溶液的精确饱和点，并且实际中压力不是标准大气压以及一些杂质的干扰等原因，所以仍需测量溶液饱和温度。我们将预热过的籽晶放入溶液中，逐渐改变温度，通过浓度涡流法确定饱和温度（如果溶液是不饱和的，晶体棱角就会溶解，表面附近的溶液浓度较周围的大，变得较重而向下运动，形成向下的液流；如果溶液是过饱和的，晶体棱角就会“发毛”，表面附近的溶液浓度较周围的小，变得较轻而向上运动，形成向上的液流，可以通过观察液流运动方向的变化来确定溶液饱和温度）11。最后我们得到实验中的母液的饱和点是750。三，降温法生长晶体。先将水槽温度升至88，将母液处于过热情况（88）下12小时，
34、之后降温至755，降温过程可在12小时内完成。放入已经预热的较好籽晶，根据以往的经验，在操作过程中有热量损失，温度一般会降低05。做完上面的工作后，通过控温台程序设定每天降低02，根据后来晶体生长状况，我们对降温速率做了相应的调整，具体情况见表21。由于前期晶体生长较好，在第12天的时候我们调整降温速率为03/D；然而在第14天，晶体出现溶解现象，两天后我们将温度降低1并调整降温速率为05/D，晶体停止溶解并出现增长，之后晶体生长良好；在第23天我们再次调整降温速率为1/D，十天后温度降到555，我们得到透明、形状较规则的大晶体。以上每天观察晶体生长情况、记录温度以及调整降温速率基本上都是在同
35、一时间段完成的。表21实验期间溶液温度表时间（D）1234567891011121316温度（）757487467447427407387367347327307287251415161718192021222324252627287227197167067026976926876826746556446346246122930313233601589578568555图24NABRO3晶体实物图图24所示晶体大致形状为正四面体截去四个顶角后得到的多面体，平行面间的距离D292MM，两个大面（如图中的上面与右面）之间的夹角705。实验结果说明以下我们简要解释所得晶体形状问题。根据ERICRCH
36、OLCOMB等所得到得实验结论，在低温下容易长出四面体和立方体的NABRO3晶体，在高温下则容易变为多面体。在我们的实验中，由于考虑到实验设备控温精度不是很高，温度波动会成为影响晶体生长的主要原因，于是我们放弃了低温条件以降低T/T的数值，最终为我们得到如图24所示的多面体型晶体。173NABRO3晶体旋光特性研究31概念和理论简介当线偏振光沿某些晶体光轴（若晶体为各向同性，如NABRO3晶体，则沿任意方向皆可）传播时，其振动面会旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象，能够使线偏振光的振动面发生偏转的物质叫做旋光性物质。其偏转的角度与光在该晶体里传播的路程L成正比13，即L（31）式中叫做该晶体
37、旋光率。有些溶液和液体也能够发生旋光现象，如蔗糖水溶液，这时上式修正为CL（32）式中为溶液或液体的旋光率，C为溶液的浓度（若是液体则C1）。另外还有磁致旋光现象14。另一方面，旋光物质的旋光率不仅与物质结构有关还与入射的波长相关，当用白光照射处于偏振方向正交的偏振片之间的旋光物质时，会出现其他色彩，转动出射偏振片，色彩就会改变，这种现象叫做旋光色散15。对旋光现象的菲涅耳唯象解释13。图31菲涅耳的旋光唯象解释示意图如图31所示，菲涅耳假设线偏振光是由频率相同但旋向相反的两束圆偏振光组成的，并且它们在旋光物质中的传播速度不同。假设在刚进入旋光物质的那一时刻，线偏振光的振幅达到最大值，此时将光
38、线分解为左、右旋圆偏振光，两束光的电矢量ER和EL开始分离，不妨设VRVL，则光线离开旋光物质的前一时刻，ER旋转的角度R大于EL旋转的角度L，如图31所示，它们的合振动方向偏转的角度为，LNNRL（33）18式中NL和NR是左右圆偏振光在旋光物质中的折射率。菲涅耳还用多块右旋与左旋交替排列的石英晶体组合分离出了旋向相反的圆偏振光，从而证实了自己的解释。关于旋光现象的解释还有螺旋理论16,17，该理论认为所有光学活性分子都具有螺旋结构，它是导致旋光物质具有旋光性的根本原因，即物质的旋光性与其微观分子结构有关，对于物质旋光现象的应用方面，我们可以利用公式（31）测量某些晶体薄膜的厚度，利用公式（
39、32）测量溶液的浓度，这方面工业应用的比较成熟的是“量糖术”，也可以利用螺旋理论得知旋光物质微观结构的相关信息等等。32实验及数据处理由公式（31）可得旋光率L/（34）下面将通过实验测得光NABRO3晶体中传播的路程L和不同波长的线偏振光振动面所偏转的角度，判断的正负，即NABRO3晶体的旋光方向并利用上式得到不同波长对应的晶体旋光率的值，绘出关系图。实验装置如图32。1溴钨灯；2起偏器；3NABRO3晶体；4检偏器；5光纤光谱仪；6步进电机；7PC终端。图32NABRO3晶体旋光特性测试实验装置图图中光纤光谱仪所接收的光波波段为400NM1000NM，考虑到观察效果（各波长所对应的光强大小
40、不同，光强越大，效果越明显），我们选择49995NM,55006NM,60009NM,70006NM,75002NM,79996NM,84997NM（由于光谱仪精度，无法取整数值）这六个波长作为研究的对象。实验开始前调整起偏器2与检偏器4，使得它们的透振方向彼此正交。实验中，逆着光观察，随着步进电机7的转动，检偏器4顺时针转动。逆着光观察并记下以上波长对应的光强为零时的检偏器4所转过的角度。NACLO3的旋光率随着波长的增大而减小18，NABRO3和NACLO3结构相同，具有相似的旋光特性，再由公式（31）知，波长越大，光波旋转角的绝对值应该越小，所以如果最后19我们得到对应波长的六个值是从大
41、到小的顺序排列的，那么我们实验中的NABRO3晶体即为右旋晶体；反之，如果六个值是从小到大顺序排列的，那么我们的NABRO3晶体就是左旋晶体了。至于可能出现的其它一些无规律的排列情况，这是由于部分波长较短的光波振动面旋转角度超过了360，而波长较长的则没有超过的缘故，这种情况我们也可以分析旋光的方向，若排列的数值是可分为两列递减数列（或一个数值与一个递减数列），则可认为是右旋的，否则为左旋的。最终实验中我们得到的值是从大到小的顺序排列的，这就说明我们的晶体是右旋的。我们测得光在晶体中传播的路程为LD292MM，而值此时即为光旋转角，利用公式34我们得到不同波长所对应的晶体旋光率。实验数据及处理
42、见下表表31旋光特性测试数据及处理波长NM4999555006600096509970006750027999684997角度105797827590549094175341729572539旋光率MM1362295268048202226168116142980117021101164086952根据上表，并基于最小二乘法通过ORIGIN数学软件进行模拟，我们得到旋光率随波长变的拟合曲线即旋光色散曲线33。图33旋光色散曲线图中与的数值关系式19为1046005102304210772531037833106888110467641088394332471102123141（35）其中残差平
43、方和RSS16098104，相关系数R2099982，说明拟合函数基本符合实验数据（由图知，在波长最小的点处曲线往上凸起，此点处误差较大）。由（35）式，我们得到波20长为6328NM和532NM时，旋光率分别为180MM1和305MM1，这两组数据将为下章研究做参考。33小结用溴钨灯为光源加之光纤光谱仪测试了溴酸钠晶体不同波长下的旋光率，并用最小二乘法对实验数据进行了拟合，计算出拟合误差，并根据拟合公式得出了6328NM和532NM波长下的溴酸钠晶体的旋光率。214利用NABRO3晶体制作光学滤波器41理论与计算图41光线在不同介质分界面上的振幅变化图如图41所示，光波通过不同介质的分界面时
44、会发生反射和折射，入射、反射和折射三束光波在分界面处的振幅大小和方向之间的关系可由菲涅耳公式20（4144）表示SINSIN212111SIIIIEERSS（41）TANTAN2121P11PPIIIIEER（42）SINSINCOS2212112IIIIEETSSS（43）COSSINSINCOS221212112PIIIIIIEETSS（44）式中RS和RP是S与P分量的反射振幅比，TS和TP是S与P分量的透射振幅比，I1是入射角，I2是折射角。由公式（42）可知，当I1与I2之和为90时，RP为零，即反射光P分量光强为零，这时反射光中只存在S分量，为线偏振光，此时的I1称为布儒斯特角，满
45、足如下公式121TANNNI（45）其中N1、N2分别为入射面与折射面所在介质的折射率。相同大小的偏振光以布儒斯特角进行内反射，当入射光只存在S分量时，反射光光强最大，只存在P分量时反射光光强最小，为零，振动面为其它方向时，反射光光强居于最大与最小之间，并有强弱之分。以波长不同、光强大小及偏振方向相同的多束光波以同样的光路22射入NABRO3晶体，由于旋光色散特性，不同波长的光波振动面在晶体里所偏转的角度不同，当它们进行内反射时，入射光的偏振方向不同，出射光的光强会有强弱之分，有些光波的光强甚至为零（实际中只能接近零）从而达到滤波效果。图42滤波器结构示意图图43光波振幅变化示意图图42为滤波
46、器结构示意图，界面1与界面2平行。光线经过起偏器后以入射角I1进入晶体界面1，之后折射光以布儒斯特角IB射向界面2，该界面的反射光经界面3和界面1连续全反射后从界面4射出（具体各面入射角值42节中将会给出），被光线光谱仪接收。图43为光波振幅变化示意图，其中虚线为光线方向，由里向外，即我们的观察方向为逆光传播方向。在界面1处我们利用菲涅耳公式（4344）计算出折射光振幅坐标系处在界面上，光波P分量在X方向上，S分量在Y方向上。0A为入射光振幅，角度为，可分解为P分量IAACOS00和S分量JABSIN00，经界面1后的折射光振幅为1A，两分量为IATATACOS0P0P1，JATBTBSIN0
47、S0S1。之后，光线在晶体中从界面1传播到界面2，由于NABRO3晶体旋光特性，光波振幅1A会向右即顺时针旋转一个角度为L（对于坐标系，因为顺时针旋转，所以在计算时会用到），其中L是光从界面1传播到界面2所走的路程，BIDLCOS。在界面2上，2A是入射光线，由1A向右旋转得到的分量23SINCOSCOS0P1JIATA，1B向右旋转得到的分量COSSINSIN0S1JIATB，这样我们就可以得到2A在坐标方向上的分量ITTAASINSINCOSCOSSP02和JTTABSCOSSINSINCOSP02；经布儒斯特角IB反射后的反射光振幅3AJTTARBRSSSCOSSINSINCOSP02（
48、图中未画出）。由于传播的路程不变，由公式（1）知光强不同的同一种线偏振光因晶体的旋光效应而使得振动面偏转的角度相同，在界面3和界面1处由于入射角和折射角恒定不变，反射光波的偏振状态与光强无关，所以对于同一种波，在界面4上的偏振状态相同，设为光波从界面2传播到界面4过程中S分量偏转的角度，所以为定值。由于全反射不改变光波光强大小，所以界面4处的入射光光强为23A，折射光强为4ISINCOS2P223TTAS，其中由于入射角与折射角恒定，故ST、PT恒定，所以最终出射光的光强2P23SINCOSCOSSINTTAIS（46）42实验测试及数据分析实验装置示意图如图44所示。图44实验装置示意图1H
49、ENE激光器；2半透半反境；3半导体激光器；4格兰棱镜；5菲涅耳棱体；6与步进电机相连的起偏器；7光纤光谱仪；9PC终端从HENE激光器发出的红光（6328NM）与从半导体激光器发出的绿光（532NM）通过半透半反境后耦合在一起，可以调整半透半反境使得通过格兰棱镜、菲涅耳棱体和起偏器后的红光与绿光光强相等。两束光强相等的线偏振光通过NABRO3晶体后为光纤光谱仪所接收，24并在PC终端显示它们的光强大小，启动步进电机使得起偏器朝顺时针旋转360，PC终端上所显示的光强分布会有所变化，而我们最关心的是一个光强达到最小时两光强的比值。定义光波1对光波2的消光比LG10MIN2121IIEXTDB47式中I1为I2达到最小时所取得值。由此可知消光比越大，滤波效果越好。NABR
