旋光性 Optical activity

2022-11-04 13:39:50 浏览:226

定义

透明物质表现出偏振旋转或圆二色性的能力。

光学活性是物质引起旋光或圆二色性的能力:

  • 旋光是当线偏振光穿过某些透明物质时,光的偏振方向逐渐顺时针旋转(右旋)或逆时针旋转(左旋)的现象。 它与循环双折射有关,如下所述。
  • 圆二色性是不同圆偏振方向的光吸收系数的差异。

还有偏振依赖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[7]

请注意,由于光学活动是物质表现出这种效应的主要能力,因此它不依赖于偏振光的存在,即取决于旋光或偏振依赖性吸收的实际发生。 换句话说,即使在黑暗中,物质也可以具有光学活性。

光学旋转的原因

由于对称性的原因,光学旋转在许多情况下都不会发生 - 主要是因为没有什么可以有利于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。 这种分子称为手性;对于它们中的每一个,存在两个不同的版本(称为对映异构体,或更一般的立体异构体)。 最简单的想象情况是螺旋形式的分子,沿着某个方向缠绕。

液体中分子的随机取向不会消除手性不对称性。

然后,人们可能会期望通过这种分子的随机取向有效地恢复手性对称性,但事实并非如此;例如,旋转180°的左旋螺旋分子保持左旋,即以与原始方向相同的方式与光相互作用。

旋光度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种手性版本。

请注意,如果左旋和右旋形式以相同的密度(外消旋混合物)出现,则在含有此类分子的液体中仍然无法观察到旋光度。 在合成制造的物质中经常出现这种情况,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1849年的路易斯·帕斯图尔[1]。 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的单晶有两种不同的形状,一种是另一种的镜像,最终导致酒石酸由手性分子组成。 后来发现,这种手性不对称性在生物世界中实际上很常见,例如在天然蔗糖(普通糖)等糖中,它只含有右旋版本。 这种惊人的不对称性与以下事实有关:生产糖的生物有机体对许多其他类型的重要分子具有相同的不对称性,并且分子的相对手性可以显着影响其化学反应动力学,尽管不同的对映异构体在其他方面表现出完全相同的化学行为。

有趣的是,在表现出局部性基本性质的物理模型中没有发现光学活动。 光学活动与非局部材料响应有关,其中一个位置的偏振取决于略有不同的位置的电场。

光学活性也可能发生在晶体材料中,其中手性来自晶格结构。 例如,α石英是单向双折射的,因此对于沿其光轴传播的光没有线性双折射,但表现出旋光度。 (在各种其他双折射晶体材料中也观察到了相同的效果,例如方解石。 这可以解释为三个不同晶平面的周期性重复的结果。 然而,详细的分析相当复杂[2]

在适当构造的光子超材料中也可以获得强的光学活性[8]

磁感应旋光用于光隔离器。

虽然光学活动通常与天然手性物质有关,但如上所述,也可以通过将某些物质暴露在磁场中来获得偏振旋转。 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被利用。 法拉第效应可以称为磁感应旋光,尽管通常不常称这种光学活动,这是介质的一种性质。

圆双折射

也可以将光学活动描述为圆偏振光的两个相反旋转方向之间的光速(相速度)的差异。 介质的这种特性称为圆双折射。

线偏振光可以被认为是两个方向上振幅相等的圆偏振光的叠加。 在圆双折射介质中传播期间,在两个圆偏振分量之间获得线性增加的相移。 然后,该相移导致线性偏振方向的变化。 因此,圆双折射与旋光度直接相关;不可能有圆双折射但没有旋光,光学活动意味着两者兼而有之。

当已知与圆双折射相关的折射率差时,可以很容易地计算偏振旋转量;生成的公式如下:

其中L是介质的长度,λ是真空波长。

还有一些介质的拉曼散射强度在左右偏振光之间不同;这种现象称为拉曼光学活动,类似于普通的光学活动。 一个更通用的术语,也包括振动圆二色性,是振动光学活动[6]。

光学活性的测量

光学活动的大小(称为光学旋转功率)可以用旋光仪测量,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、温度和使用的溶剂。

虽然基本的测量原理相当古老,但这些仪器多年来已经进行了重大修订,现在可以进行高精度测量。 甚至还有自动旋光仪,用于方便,高速和高精度的组合。

非线性极化旋转

光的偏振状态也会因双折射介质中的非线性传播而发生变化。 这通常被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方向,通过线性偏振器获得最佳透射,然后对于线性(低强度)传播。

参考文献

[1] L. Pasteur, “Recherches sur les propriétés spécifiques des deux acides qui composent l'acide racémique” (Researches on the specific properties of the two acids that compose the racemic acid), Annales de chimie et de physique, 3rd series, 28, 56 (1850)
[2] S. Chandrasekhar, “Theoretical interpretation of the optical activity of quartz” (1953), https://www.ias.ac.in/public/Volumes/seca/037/03/0468-0484.pdf
[3] D. Eimerl, “Quantum electrodynamics of optical activity in birefringent crystals”, J. Opt. Soc. Am. B 5 (7), 1453 (1988), doi:10.1364/JOSAB.5.001453
[4] D. F. Nelson, “Mechanisms and dispersion of crystalline optical activity”, J. Opt. Soc. Am. B 6 (6), 1110 (1989), doi:10.1364/JOSAB.6.001110
[5] I. J. Tebbutt, “Effect of optical activity on type-I and type-II phase matching in second-harmonic generation”, Appl. Opt. 31 (27), 5810 (1992), doi:10.1364/AO.31.005810
[6] L. A. Nafie, “Vibrational optical activity”, Appl. Spectroscopy 50 (5), 14A (1996)
[7] F. Hache and G: Gallo, “Optical activity of metallic helices in the terahertz domain: a theoretical investigation”, J. Opt. Soc. Am. B 29 (10), 2675 (2012), doi:10.1364/JOSAB.29.002675
[8] J. Kaschke, J. K. Gansel and M. Wegener, “On metamaterial circular polarizers based on metal N-helices”, Opt. Express 20 (23), 26012 (2012), doi:10.1364/OE.20.026012

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