阅读说明：本技术 一种磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分方法及区分装置 (Method and device for distinguishing left-handed rotation and right-handed rotation of light source spectral line in magnetic field ) 是由 张建民 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分方法及区分装置,属于光谱测量技术领域,其具体包括光源、电磁铁、聚光镜、干涉滤光片、1/4波片、偏振片、F-P标准具、望远镜及可拍照手机。光源置于电磁铁产生的磁场中,聚光镜、干涉滤光片、1/4波片、偏振片、F-P标准具、望远镜及可拍照手机平行于磁场方向按照从前往后的顺序依次设置且均与光源同轴。利用本发明的方法及装置不仅可以区分出左旋光和右旋光,对左旋光和右旋光的进一步分析和研究提供参考,而且区分装置成本低,区分方法过程简单易操作。(The invention provides a method and a device for distinguishing left-handed rotation from right-handed rotation of a light source spectral line in a magnetic field, belongs to the technical field of spectral measurement, and particularly comprises a light source, an electromagnet, a condenser, an interference filter, an 1/4 wave plate, a polarizing film, an F-P etalon, a telescope and a camera phone. The light source is arranged in a magnetic field generated by the electromagnet, and the condenser lens, the interference filter, the 1/4 wave plate, the polaroid, the F-P etalon, the telescope and the camera mobile phone are sequentially arranged in parallel with the direction of the magnetic field according to the sequence from front to back and are coaxial with the light source. The method and the device can distinguish the levorotatory light and the dextrorotatory light and provide reference for further analysis and research of the levorotatory light and the dextrorotatory light, and the distinguishing device has low cost and simple and easy operation of the distinguishing method process.)

一种磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分方法及区分 装置

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，具体涉及一种磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分方法及区分装置。

背景技术

荷兰著名物理学家塞曼发现，当光源放在足够强的磁场中(约几千-几万高斯)，光谱线***为波长非常接近的几条偏振化子谱线且各分立的偏振化子谱线之间的间距相等，其间距的大小与外加磁场的强度成正比。这个发现对于量子力学的建立和发展做出了不可磨灭的贡献。1902年塞曼因这一发现与洛伦兹共同获得了当年的诺贝尔物理学奖，为了纪念塞曼的功绩，将此发现命名为塞曼效应。塞曼效应的物理学原理是由于原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩共同受外磁场的作用而产生的，即证实了原子具有磁矩和空间量子化。观测塞曼效应的***子谱线可以分析出原子能级的***情况，确定其量子数和朗德g因子，从而得到有关原子态的重要信息，对原子的进一步利用具有重要价值，所以塞曼效应是研究原子结构的重要途径之一。

塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。在垂直于外磁场方向观察，若一条谱线***成三条子谱线，即为正常塞曼效应；若一条谱线***成三条以上子谱线，即为反常塞曼效应。正常塞曼效应的产生是由于原子轨道磁矩和外磁场相互作用的结果，反常塞曼效应则是原子总磁矩(轨道磁矩和自旋磁矩)和外磁场相互作用的结果。

塞曼效应中***的子谱线垂直磁场观察是线偏振光，又分为两种情况：一种是子谱线的电向量平行于外磁场称为π光；另一种是子谱线的电向量垂直于外磁场称为σ光。σ光又分为左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹，目前，还没有很好的装置和方法去区分左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹，无法对左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹进行进一步地分析和研究。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了具体涉及一种磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分方法及区分装置，其不仅可以区分出左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹，对左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹的进一步分析和研究提供参考，而且区分装置成本低，区分方法过程简单易操作。具体技术方案如下：

一种区分磁场中光源光谱线左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹的方法，包括以下步骤：

1)打开光源，依次调节聚光镜、干涉滤光片、偏振片、F-P标准具、望远镜及可拍照手机拍照镜头的位置，使聚光镜、干涉滤光片、偏振片、F-P标准具、望远镜及可拍照手机的拍照镜头与光源同轴且光源设置在聚光镜的焦点上，调节光路中各部件使外磁场时各干涉级次K的各分立圆环清晰；

2)接通电磁铁的电源，缓慢增大激磁电流，增加外磁场的场强使外磁场时各干涉级次K的每一个分立圆环***为左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹，旋转偏振片，观察各子谱线干涉圆环强度的变化；

3)在步骤2)中的干涉滤光片和偏振片之间放置与光源同轴的1/4波片，给圆偏振光附加π/2的相位差，从而使左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹变为相互垂直的线偏振光，旋转偏振片，通过观察各子谱线干涉圆环强度的变化来区分左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹。

进一步限定，所述步骤2)具体为：

(2.1)打开直流稳压稳流电源，给电磁铁通电，缓慢增大激磁电流，增加外磁场的场强使外磁场时各干涉级次K的每一个分立圆环***为左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹；

(2.2)在0～180°范围内绕光轴旋转偏振片，看到各子谱线干涉圆环强度没有变化，证明左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹均为圆偏振光。

进一步限定，所述步骤3)具体为：

(3.1)在步骤2)中的干涉滤光片和偏振片之间放置与光源同轴的1/4波片，给圆偏振光附加π/2的相位差，从而使左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹变为相互垂直的线偏振光；

(3.2)在0～180°范围内绕光轴旋转偏振片，观察到当偏振片的偏振化方向转至45°时，左旋光σ^-1消失，只能观察到右旋光σ⁺¹；当偏振片的偏振化方向转至135°时，右旋光σ⁺¹消失，只能观察到左旋光σ^-1。

进一步限定，所述外加磁场的强度范围为10000Gs～13000Gs。

根据上述区分方法实现磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分装置，包括光源、电磁铁、聚光镜、干涉滤光片、1/4波片、偏振片、F-P标准具、望远镜及可拍照手机，所述光源置于电磁铁产生的磁场中，所述聚光镜、干涉滤光片、1/4波片、偏振片、F-P标准具、望远镜及可拍照手机平行于磁场方向按照从前往后的顺序依次设置且均与光源同轴。

进一步限定，所述光源为汞灯、隔灯、纳灯、锑灯、钨灯、锶灯，且所述光源置于电磁铁产生最大磁场强度处。

进一步限定，所述电磁铁的电流由直流稳压稳流电源提供。

进一步限定，所述聚光镜的焦距为f＝93mm，所述F-P标准具两玻璃板内表面间的距离d＝2mm。

进一步限定，所述干涉滤光片和1/4波片的中心波长依赖于光源的选取。

进一步限定，所述偏振片的偏振化方向在0～180°范围内绕光轴旋转。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1、本发明的磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分装置由光源、电磁铁、聚光镜、干涉滤光片、1/4波片、偏振片、F-P标准具、望远镜及可拍照手机构成。所用光学元件均是常用的普通光学元件，特别是利用了每个人都有的可拍照的手机代替传统观察光谱线用的摄谱仪、读数显微镜及CCD(电荷耦合器件)，不仅仪器成本低，而且使用方便，技术要求低，人人都可操作。

2、操作时，调整好光源、电磁铁、聚光镜、干涉滤光片、1/4波片、偏振片、F-P标准具、望远镜及可拍照手机的位置，接通电磁铁的电源，缓慢增大激磁电流，增加外磁场的强度，通过旋转偏振片至45°和135°，就可区分出左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹。其操作简单，区分结果明显，便于观察；区分结果准确，可以为后续左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹的进一步分析和研究提供参考。

3、本发明的方法所用的光源可为汞灯、隔灯、纳灯、锑灯、钨灯、锶灯，具有普遍适用性。

附图说明

图1为本发明磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分装置结构示意图；

图2为不加磁场时，汞灯波长对应各干涉级次K的各分立干涉圆环；

图3为磁场强度为10677Gs时，汞灯波长的每一干涉级次K***的3条右旋光σ⁺¹和3条左旋光σ^-1的干涉圆环；

图4为磁场强度为10677Gs、偏振片偏振化方向为45°时，汞灯波长的每一干涉级次K***的3条右旋光σ⁺¹的干涉圆环；

图5为磁场强度为10677Gs、偏振片偏振化方向为135°时，汞灯波长的每一干涉级次K***的3条左旋光σ^-1的干涉圆环；

其中，1-光源，2-电磁铁，3-聚光镜，4-干涉滤光片，5-1/4波片，6-偏振片，7-F-P标准具，8-望远镜，9-可拍照手机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案及方法进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。

参见图1，本发明磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分装置，其由光源1和电磁铁2、以及沿磁场方向与光源1同轴依次设置的聚光镜3、干涉滤光片4、1/4波片5、偏振片6、F-P标准具7、望远镜8和可拍照手机9。光源1为汞灯、隔灯、纳灯、锑灯、钨灯、锶灯，且置于电磁铁2产生的磁场强度处。电磁铁2的电流由直流稳压稳流电源提供，且产生的磁场强度范围为10000Gs～13000Gs。聚光镜3的焦距为f＝93mm。干涉滤光片4和1/4波片5的中心波长依赖于光源1的选取。偏振片6的偏振化方向可在0～180°范围内绕光轴旋转。F-P标准具7两玻璃板内表面间的距离d＝2mm。

实施例1

本实施例中磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分装置的光源1为汞灯光源，干涉滤光片4和1/4波片5的中心波长为电磁铁2产生磁场的磁场强度为10677Gs。

利用本实施例的区分装置实现磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分方法，包括以下步骤：

1)参见图1，打开汞灯光源，依次调节聚光镜3、干涉滤光片4、偏振片6、F-P标准具7、望远镜8及可拍照手机9拍照镜头的位置，使聚光镜3、干涉滤光片4、偏振片6、F-P标准具7、望远镜8及可拍照手机9的拍照镜头与汞灯光源同轴且汞灯光源设置在聚光镜3的焦点上，即使聚光镜3与汞灯光源之间的距离为93㎜，干涉滤光片4和1/4波片5的中心波长为

2)调节光路中各部件使外磁场时各干涉级次K的各分立圆环在可拍照手机9的屏幕上清晰可见，参见图2；

3)打开直流稳压稳流电源，给电磁铁2通电，缓慢增大激磁电流，增加外磁场的场强为10677Gs，使外磁场时各干涉级次K的每一个分立圆环***为右旋光σ⁺¹和左旋光σ^-1，参见图3；

在0～180°范围内旋转偏振片6，可以看到子谱线圆环的强度没有发生变化，说明此时6条子谱线圆环均为圆偏振光；

4)在干涉滤光片4和偏振片6之间放置与汞灯光源同轴的1/4波片5，给圆偏振光附加π/2的相位差，从而使左旋σ^-1光和右旋σ⁺¹光变为相互垂直的线偏振光；

参见图4，在0～180°范围内旋转偏振片6，可以观察到在偏振片6旋转至45°时，有3条子谱线消失不见了，这3条消失不见的光为左旋σ^-1光，只能看到3条右旋光σ⁺¹；

在偏振片6旋转至135°时，也有3条子谱线消失不见了，这3条消失不见的光为右旋σ⁺¹光，只能看到3条左旋光σ^-1，参见图5。

实施例2

本实施例中磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分装置的光源1为隔灯光源，干涉滤光片4和1/4波片5的中心波长为电磁铁2产生磁场的磁场强度为11845Gs。

利用本实施例的区分装置实现磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分方法，包括以下步骤：

1)打开隔灯光源，依次调节聚光镜3、干涉滤光片4、偏振片6、F-P标准具7、望远镜8及可拍照手机9拍照镜头的位置，使聚光镜3、干涉滤光片4、偏振片6、F-P标准具7、望远镜8及可拍照手机9的拍照镜头与隔灯光源同轴且隔灯光源设置在聚光镜3的焦点上，即使聚光镜3与隔灯光源之间的距离为93㎜，干涉滤光片4和1/4波片5的中心波长为 参见图1；

2)调节光路中各部件使外磁场时各干涉级次K的各分立圆环在可拍照手机9的屏幕上清晰可见；

3)打开直流稳压稳流电源，给电磁铁2通电，缓慢增大激磁电流，增加外磁场的场强为11845Gs，使外磁场时各干涉级次K的每一个分立圆环***为右旋光σ⁺¹和左旋光σ^-1；

在0～180°范围内旋转偏振片6，可以看到子谱线圆环的强度没有发生变化，说明此时2条子谱线圆环均为圆偏振光；

4)在干涉滤光片4和偏振片6之间放置与隔灯光源同轴的1/4波片5，给圆偏振光附加π/2的相位差，从而使右旋光σ⁺¹和左旋光σ^-1变为相互垂直的线偏振光；

在0～180°范围内旋转偏振片6，可以观察到在偏振片6旋转至45°时，有1条子谱线消失不见了，这条消失不见的光为左旋光σ^-1，只能看到1条右旋光σ⁺¹；

在偏振片6旋转至135°时，也有1条子谱线消失不见了，这条消失不见的光为右旋光σ⁺¹，只能看到1条左旋光σ^-1。

实施例3

本实施例中磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分装置的光源(1)为纳灯光源，干涉滤光片4和1/4波片5的中心波长为电磁铁2产生磁场的磁场强度为12568Gs。

利用本实施例的区分装置实现磁场中光源光谱线左旋光和右旋光的区分方法，包括以下步骤：

1)打开纳灯光源，依次调节聚光镜3、干涉滤光片4、偏振片6、F-P标准具7、望远镜8及可拍照手机9拍照镜头的位置，使聚光镜3、干涉滤光片4、偏振片6、F-P标准具7、望远镜8及可拍照手机9的拍照镜头与纳灯光源同轴且纳灯光源设置在聚光镜3的焦点上，即使聚光镜3与纳灯光源之间的距离为93㎜，干涉滤光片4和1/4波片5的中心波长为 参见图1；

2)调节光路中各部件使外磁场时各干涉级次K的各分立圆环在可拍照手机(9)的屏幕上清晰可见；

3)打开直流稳压稳流电源，给电磁铁2通电，缓慢增大激磁电流，增加外磁场的场强为12568Gs，使外磁场时各干涉级次K的每一个分立圆环***为右旋光σ⁺¹和左旋光σ^-1；

在0～180°范围内旋转偏振片6，可以看到子谱线圆环的强度没有发生变化，说明此时4条子谱线圆环均为圆偏振光；

4)在干涉滤光片4和偏振片6之间放置与纳灯光源同轴的1/4波片5，给圆偏振光附加π/2的相位差，从而使左旋光σ^-1和右旋光σ⁺¹变为相互垂直的线偏振光；

在0～180°范围内旋转偏振片6，可以观察到在偏振片6旋转至45°时，有2条子谱线消失不见了，这2条消失不见的光为左旋光σ^-1，只能看到2条右旋光σ⁺¹；

在偏振片6旋转至135°时，也有2条子谱线消失不见了，这2条消失不见的光为右旋σ⁺¹光，只能看到2条左旋光σ^-1。

其中实施例1、实施例2和实施例3中的可拍照手机9为华为nova5。